CN103575701A - 基于频域oct的透明材料折射率及厚度测量方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学材料测量技术领域，具体为一种基于频域OCT的透明材料折射率及厚度测量方法和装置。测量装置包括：一低相干度光源、Michelson干涉系统及参考臂和样品臂的光束挡板、四维样品台、待测样品、聚焦透镜、耦合光纤、光谱仪和计算机；测量时样品不需要紧帖反射镜，只要将样品固定在四维样品台上,通过测量样品放入样品臂前后的三幅光谱数据,就可以计算出样品的几何厚度d和群速折射率ng；通过水平旋转,改变光束对样品的入射角，记录一系列入射角对应的光谱,就能拟合出样品的相速折射率np,进而计算出样品的一阶色散
Figure 201310501611X100004DEST_PATH_IMAGE002
。本发明测量装置结构简单，测量方法操作简便，测量精度高。

Description

基于频域OCT的透明材料折射率及厚度测量方法和装置
技术领域
本发明属于光学材料测量技术领域，具体涉及一种光学透明材料折射率及厚度测量方法和装置。
背景技术
光学材料的几何厚度, 折射率, 及色散是材料应用的重要参数，对这些参数的测量已经提出了不少方法, 但现有方法都存在一些不足。如有些基于频域OCT 的测量方法中, 需要样品紧帖样品臂的反射镜, 从而无法得到材料的相速折射率和色散。有些方法可以得到样品的几何厚度和群速折射率, 但又不能得到相速折射率及色散。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以同时测量和计算出光学材料厚度和折射率（包括群速折射率、相速折射率及一阶色散）的方法和装置。
本发明提供的同时测量和计算出光学材料厚度和折射率的方法和装置，是基于频域OCT的。
本发明提供的测量装置，包括一低相干度光源1，Michelson 干涉系统，四维样品台4，待测样品5，聚焦透镜7，耦合光纤8，光谱仪9，计算机10，样品臂光束挡板11和参考臂的光束挡板12； Michelson 干涉系统由非偏振分光棱镜2、参考臂反射镜3、样品臂反射镜6组成。其中，低相干度光源1、非偏振分光棱镜2、 参考臂反射镜3、 样品臂反射镜6、 聚焦透镜7分别固定在工作台面上, 相对独立；四维样品台4的旋转由计算机10控制, 耦合光纤8直接与光谱仪9连接，光谱仪9与计算机10通过GPIB 总线连接以进行数据传输。
该测量装置可以同时测量透明光学材料的几何厚度d、群速折射率ng和相速折射率np, 并由此计算出材料的一阶色散                                                
Figure 859399DEST_PATH_IMAGE001
。
本发明中，所述低相干度光源1可以采用白光LED，或采用可见及近红外宽带激光二极管(LD)。
本发明中，所述聚光透镜7 可以采用消色差透镜。
本发明中，所述耦合光纤8可以采用单模光纤。
本发明中，所述谱仪9可采用可见-近红外波段光谱测量仪。
本发明提出的测量光学材料厚度和折射率的方法，为基于频域的OCT 光谱法, 相速折射率的计算方法采用光谱强度随入射角的最小二乘拟合法。
频域OCT 技术是一种低相干度光波包的光谱干涉技术，通过对测量的干涉光谱的Fourier 变换, 可以得到参与干涉的两波包的相对空间距离。
测量时, 光学材料样品前后两个表面应保持平行, 放入Michelson 干涉系统的样品臂, 并使入射光与样品表面垂直；根据样品放入测量臂前后样品臂与参考臂之间光程的改变Δ1, 就可以得到样品相对于空气的光程差d*(ng-nair)。另外, 如果干涉的两波包来自于样品的前后两个表面, 则材料的光学厚度Δ2 (为几何厚度(d)与群速折射率(ng)的乘积d*ng )就可以得到，从而可以列出如下方程组:  
Figure 271926DEST_PATH_IMAGE002
  …………………………….. (1)
Figure 627821DEST_PATH_IMAGE003
         …………………………….. (2)
式中，d为待测样品的几何厚度， ng为群速折射率，nair为空气的折射率。解上述方程组即可以得到待测样品的几何厚度d和群速折射率ng，空气的折射率nair为常数,一般可取1.0。
图2 为频域OCT 光谱的Fourier 变换示意图。图中横坐标为干涉波包的相对空间位置, 纵坐标为变换的相对强度。图中竖线(a)和(b)为放入样品前后发生干涉的参考臂反射镜(3)与样品臂反射镜(6)的相对位置，竖线(c) 为样品前后表面的相对位置，(a), (b)之差为Δ1, (c) 与坐标原点之差为Δ2 。
得到样品厚度和群速折射率后, 水平旋转样品台, 改变光束对样品表面的入射角, 样品臂的光程将发生改变, 即图2中的竖线(b)将会移动。在一系列入射角的位置记录干涉光谱, 可得出一系列入射角相关的光程差Δ1。由于色散的作用, 此时的光程差Δ1是入射角θi, 厚度d, 及相速折射率np的多元函数
Figure 266130DEST_PATH_IMAGE004
, 即为：
 …………………………(3)
式中，np为相速折射率,根据旋转台转过的角度, 以及前面得到的几何厚度, 可以用最小二乘法拟合出
Figure 683522DEST_PATH_IMAGE006
曲线, 从而得出相速折射率np 。
再根据群速折射率与相速折射率的关系: 
Figure 249632DEST_PATH_IMAGE007
………………………………………………(4) 
计算得到在所测量的波段中心波长λ0处的材料一阶色散
Figure 20142DEST_PATH_IMAGE008
。
本发明的测量装置结构简单，测量方法操作简便，测量精度高。
附图说明
图1为测量装置示意图。
图2为频域OCT 光谱的Fourier 变换示意图。
图3为无样品时两臂干涉光谱的Fourier变换图。
图4为加入样品后干涉光谱的Fourier变换图。
图5为样品前后表面干涉光谱的Fourier变换图。
图6为 
Figure 397028DEST_PATH_IMAGE009
=648nm附近拟合曲线与实验对比。 
图中标号：1为低相干度光源， 2为非偏振分光棱镜，3为参考臂反射镜， 4为四维样品台，5为待测样品，6为样品臂反射镜，7为聚焦透镜，8为耦合光纤，9为光谱仪，10为计算机，11为样品臂光束挡板，12为参考臂的光束挡板。
具体实施方式
下面以常用的普通载波片为例, 用本发明方法和装置，在可见光638-658nm波段进行测量, 得到了其几何厚度, 群速折射率, 相速折射率, 及相应波段的一阶材料色散。
测量过程中, 先不放入样品, 并且将两臂的光束挡板11和12移出光路，测量两臂(参考臂)反射镜3和(样品臂)反射镜6的干涉光谱, 得出其相对位置, 如图2中的(a)竖线，实验结果图如图3所示。
然后, 将待测样品5放入样品臂中的样品台4上, 使样品表面与入射光垂直, 再次记录干涉光谱, 得出此时两反射镜的位置, 如图2中的(b)竖线. 实验结果图如图4 所示。
再将两臂光束挡板11和12移进光路, 这时两臂光束的反射镜被挡住, 进入光谱仪的只有样品前后两个表面的反射光。记录干涉光谱, 并作Fourier变换, 可得图2中的(c)竖线, 实验结果如图5所示。
根据上述图3, 图4 和图5, 分别测出Δ1 = 575.6327μm 和 Δ2=1651.963μm, 根据方程(1)和(2), 可以解出载波片的几何厚度及群速折射率为:
d=1076.33μm, ng=1.5348。 
以样品与入射光束垂直时为0度, 旋转样品台4, 以0.05度为步长依次记录下至最大转角为±10度时的各干涉光谱。选择中心波长
Figure 784147DEST_PATH_IMAGE009
=648nm的光线, 作其光谱强度随入射角的变化图, 并根据方程(3), 对其进行以np为参变量的最小二乘拟合，结果如图6所示。
拟合结果, 得出np = 1.5099。
再根据方程(4), 得到其在648nm 的一阶色散为:
Figure 980380DEST_PATH_IMAGE010
-3.8×10-5 nm-1
实验结果总结如表1:
表1 实例实施测量结果
Figure 870975DEST_PATH_IMAGE012
本发明优点：
1、测量速度快: 本发明基于频域OCT的测量系统, 对样品前后表面的定位测量中不需要参考镜的扫描,因而测量速度快。
2、有效数据多，样品不需要紧帖样品臂的镜面, 因而可以进行样品旋转, 从而可测量其相速折射率。通过本系统可一次得到样品的几何厚度, 群速折射率, 相速折射率, 及一阶材料色散, 而不需要采用其他测量方法。
3、系统简单, 易进行波段拓展。本发明光源可采用廉价的LED或半导体激光器, 因而可以进行不同波段的参数测量。

Claims (6)

1.一种基于频域OCT的透明材料折射率及厚度的测量装置，其特征在于：包括一低相干度光源(1)，Michelson 干涉系统，四维样品台(4)，待测样品(5)，聚焦透镜(7)，耦合光纤(8)，光谱仪(9)，计算机(10)，样品臂光束挡板(11)和参考臂的光束挡板(12)； Michelson 干涉系统由非偏振分光棱镜(2)、参考臂反射镜(3)、样品臂反射镜(6)组成；其中，低相干度光源(1)、非偏振分光棱镜(2)、 参考臂反射镜(3)、 样品臂反射镜(6)、 聚焦透镜(7)分别固定在工作台面上, 相对独立；四维样品台(4)的旋转由计算机(10)控制, 耦合光纤(8)直接与光谱仪(9)连接，光谱仪(9)与计算机(10)通过GPIB 总线连接以进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述低相干度光源(1)为白光LED，或为可见及近红外宽带激光二极管。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述聚光透镜(7)为消色差透镜。
4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述耦合光纤(8)为单模光纤。
5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述光谱测量仪(9) 为可见-近红外波段光谱测量仪。
6.基于权利要求1所述的测量装置的测量方法，其特征在于具体步骤为：
光学材料样品放入Michelson 干涉系统的样品臂, 并使入射光与样品表面垂直；根据样品放入测量臂前后样品臂与参考臂之间光程的改变Δ1, 得到样品相对于空气的光程差d*(ng-nair)；
另外, 干涉的两波包来自于样品的前后两个表面, 则材料的光学厚度Δ2 等于几何厚度d与群速折射率ng的乘积d*ng ，于是得到如下方程组:  
Figure 201310501611X100001DEST_PATH_IMAGE001
     ……………………………     (1)
Figure 241085DEST_PATH_IMAGE002
                   ……………………………     (2)
式中， nair为空气的折射率；解上述方程组即得到待测样品的几何厚度d和群速折射率ng，空气的折射率nair为常数,取1.0；
得到样品厚度和群速折射率后, 水平旋转样品台, 改变光束对样品表面的入射角,在一系列入射角的位置记录干涉光谱, 得出一系列入射角相关的光程差Δ1；由于色散的作用, 此时的光程差Δ1是入射角θi, 厚度d, 及相速折射率np的多元函数
Figure 201310501611X100001DEST_PATH_IMAGE003
, 即为：
Figure 627067DEST_PATH_IMAGE004
 …………………………(3)
式中，np为相速折射率,根据旋转台转过的角度, 以及前面得到的几何厚度, 用最小二乘法拟合出
Figure 201310501611X100001DEST_PATH_IMAGE005
曲线, 从而得出相速折射率np ；
再根据群速折射率与相速折射率的关系: 
Figure 78908DEST_PATH_IMAGE006
………………………………………………(4) 
计算得到在所测量的波段中心波长λ0处的材料一阶色散
Figure 201310501611X100001DEST_PATH_IMAGE007
。
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