CN103759661B - 一种用于介质内测量薄膜厚度和折射率的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于介质内测量薄膜厚度和折射率的装置，属于光学测量技术领域。自半导体二极管发出的光线经非球面准直透镜准直后，以一定的角度入射到衍射光栅，再经衍射光栅衍射，其一级衍射被原路反射回，零级衍射经可拆卸的光隔离器后，再经过半波片，入射到F-P腔形成光反馈，其反馈光依次通过第二PBS、第一PBS后，被PD探测器检测，通过示波器显示出来，实现对反馈光强度和光谱特性的检测。本发明装置解决了介质内薄膜厚度和折射率的测量问题，且大幅度提高测量精度。该装置操作简单，稳定。

Description

一种用于介质内测量薄膜厚度和折射率的装置

技术领域

本发明涉及一种用于介质内测量薄膜厚度和折射率的装置，属于光学测量技术领域。

背景技术

光经过反射膜的反射，s分量和p分量的相位发生改变。通常s和p分量之间的相对相位差可以用椭圆偏振仪来测量，如图1所示，LD发射的光经起偏器后，入射到样品上，其反射经检偏器后，被探测器PD检测。以此进一步可测量薄膜厚度和折射率，但是这类椭圆偏振仪测量的条件都限制从空气入射到介质的测量，且传统的椭圆偏振仪测量精度有限。而对于从介质入射到空气方式下的薄膜厚度和折射率的测量，目前尚未有相关的报道。

发明内容

本发明的目的是为解决从介质入射到空气的薄膜厚度和折射率的测量问题，提出一种用于介质内测量薄膜厚度和折射率的装置，利用F-P腔的共振曲线来测量介质内s和p之间的相对相位差,进而准确测量薄膜厚度和折射率。

一种用于介质内测量薄膜厚度和折射率的装置，包括半导体二极管、非球面准直透镜、衍射光栅、半波片、可拆解的隔离器、PD探测器、F-P腔、F-P腔压电陶瓷和F-P腔热沉。

所述F-P腔包括第一高反射膜、第二高反射膜和被测反射膜。第一高反射膜和第二高反射膜，均为平面结构，成一定角度放置，构成F-P腔的两端反射面，反射率能达到99.9％。所成角度能保证光束分别垂直入射第一高反射膜和第二高反射膜。待测反射膜作为平面环形F-P腔的入射面和输出耦合面。

F-P腔压电陶瓷粘在F-P腔的第一高反射膜上，用于F-P腔的快速频率调谐。

所述可拆解的隔离器包括第一偏振分束器（PBS）、第二PBS和磁极。第一PBS、第二PBS通过磁极连接。第一PBS和第二PBS能分别顺时针或者逆时针旋转。

所述半波片能沿顺时针或者逆时针旋转。

非球面准直透镜位于半导体二极管与衍射光栅之间，与半导体二极管同轴，位于衍射光栅的左侧位置，成衍射光的入射角；可拆解的隔离器位于衍射光栅的右侧位置，成第一衍射角；PD探测器位于第一PBS的正下方；半波片位于可拆解的隔离器ISO与被测反射膜中间，与可拆解的隔离器ISO共轴。

自半导体二极管发出的光线经非球面准直透镜准直后，以一定的角度入射到衍射光栅，再经衍射光栅衍射，其一级衍射被原路反射回，零级衍射经可拆卸的光隔离器后，再经过半波片，入射到F-P腔形成光反馈，其反馈光依次通过第二PBS、第一PBS后，被PD探测器检测，通过示波器显示出来，实现对反馈光强度和光谱特性的检测。通过改变半波片HWP改变入射到待测反射膜平面的偏振方向，不仅可得到s偏振方向和p偏振方向的共振曲线，还可以得到s偏振和p偏振同时共存的偏振曲线，当半波片HWP调节到s偏振和p偏振之间时，得到待测反射膜平面内的共振曲线。

有益效果

本发明装置解决了介质内薄膜厚度和折射率的测量问题，且大幅度提高测量精度。该装置操作简单，稳定，具有很强的实用价值。

附图说明

图1为背景技术中的椭圆偏振仪；其中，A为激光源，b为起偏片，c为相位补偿仪1，d为待测膜，e为相位补偿仪2，f为检偏片，g为探测器；

图2为本发明的用于光密介质内相对相位差测量的装置结构示意图；

图3为具体实施方式中用于光密介质内相对相位差测量的装置实例；

图4为具体实施方式中薄膜反射和透射示意图；

图5为具体实施方式中薄膜介质的多光束反射和透射示意图。

标号说明：1：半导体二极管，2：半导体激光管热沉，3：非球面准直透镜AL，4：非球面准直透镜调整架，5：光栅固定架，6：衍射光栅GT，7：可拆卸光隔离器中的第一PBS，8：磁极B，9：可拆卸光隔离器中的第二PBS，10：PD探测器调整架，11：PD探测器，12：探测器固定架，13：半波片，14：半波片固定架，15：F-P腔压电陶瓷，16：底板，17：调节架定板，18：F-P腔热沉，19：F-P腔，20：调节架动板，21：调节架压电陶瓷，22：微调螺钉，23：光隔离器固定架。

具体实施方式

为进一步说明本发明的优点和目的，下面结合实例对本发明内容做进一步说明。

本发明的用于光密介质内相对相位差测量的装置如图2所示。图3给出了这种用于光密介质内相对相位差测量的装置实施例。

本实施例中第一高反射膜和第二高反射膜平面是利用低传输损耗的光学石英玻璃作为材料，在图2的3个光学表面中，A点所在表面为折叠面和输入输出耦合面，p偏振，s偏振的反射率同为为93%。C点和D点所在的表面构成等效共焦F-P腔的两端反射面，其反射率为99.9%。

功率30mW波长为689nm的半导体二极管1发出的激光光束，经过焦距为4mm，数值孔径为0.6的非球面准直透镜AL3准直后，以一定的角度入射在刻线密度为2400g/mm、具有合适的衍射效率、刻线面积大小为12.5mmX12.5mm、厚度为6mm的全息衍射光栅6上，其一级衍射原路返回，反馈回半导体二极管1。零级衍射光经过可拆卸光隔离器ISO以及半波片13后，以入射角45°入射到待测反射膜上，在兼做输入输出耦合面上的待测反射膜的A点入射（由光学石英玻璃材料加工），入射光在A点发生反射和折射。其中折射进入F-P腔的光束部分，入射在镀有高反射膜C点，折回到A点，形成谐振，F-P腔19的谐振光作为反馈光沿着与原入射光束共线反向的路径，被可拆卸光隔离器ISO的第一个PBS1（7）反射后，被PD探测器11检测。通过扫描光栅6的PZT，F-P腔的光谱结构通过示波器显示出来。

半导体二极管1采用温度传感器和半导体激光管热沉2实现温度控制。F-P腔19采用温度传感器和F-P腔热沉18实现温度控制。F-P腔19的谐振频率可通过粘接在该腔上的压电陶瓷15的方法和对F-P腔热沉18精密控温技术分别作快速小范围细调和慢速大范围粗调，而通过驱动光栅6的PZT，实现对激光频率的扫描。通过微调螺钉22或粘接在动板上的压电陶瓷21改变单块子腔19的反馈角度。在改变角度的过程中，固定在粘有压电陶瓷21调节架动板20上的F-P腔19和F-P腔热沉18随着动板20一起旋转，进入F-P腔19的光束方向也随着调节架动板20的转动改变相同的角度，实现反馈光原路返回。

非球面准直透镜调整架4用于固定非球面镜及激光束准直的调整，F-P腔19通过热沉18固定在调节架动板20上，光隔离器通过23固定在底板上，调节架动板20可通过定板17上的微调螺钉调整，调节架定板17，半导体激光管热沉2，非球面准直透镜调整架4，光栅固定架5均被固定在底板16上。

光线从半导体二极管发出的激光光束输入面上,以一定的角度入射全息衍射光栅上，再经过可拆卸的光隔离器后,通过半波片,入射到2个高反射膜平面，其反馈光原路返回,经过隔离器的第一个偏振分束器反射后,被探测器接收,使用示波器等检测设备检测其反馈,从而实现对反馈光强度和光谱特性的检测.通过改变半波片HWP改变入射到待测反射膜平面的偏振方向，不仅可得到s偏振方向和p偏振方向的共振曲线，还可以得到s偏振和p偏振同时共存的偏振曲线，当半波片HWP调节到s偏振和p偏振之间时，待测反射膜平面内的共振曲线。FSR由计算可得，s偏振和相邻的p偏振的频率差为Δv_d，因此s和p之间的频率差Δv=N*Δv0±Δv_dGHz。Δv₀为相邻之间的频率差,N为整数。

对待测反射膜平面进行相对相位差的计算。2个高反射膜平面共同构成F-P腔的几何腔L=30mm。共振光在A点的反射角29°，总的相位差可由公式:

Δφ=2π*Δv*t（1）

其中光在单块腔内传播一周的时间t=2*n*L/c,其中c为光在真空中传播速度，其值为299792.458km/s。n为折射率,L指F-P腔长。

另一方面总的相对相位差为各个反射点产生的相对相位差之和。设Δδ1、Δδ3、Δδ4分别为A、C、D点反射产生的s和p之间的相对相位差。

Δδ3为垂直球面反射C点产生的相位差，由于该光束垂直入射到镀膜面，s和p的相位差约为-π弧度，Δδ4为垂直球面D点反射产生的相位差，s和p的相位差约为-π弧度，Δδ1为在A点反射产生的的相位差，总的相位差可由

Δφ=2*Δδ1+Δδ3+Δδ4

=-2×180°+2*Δδ1（2）

由于单块入射耦合面镀膜的原因，入射耦合面上的反射产生的s和p的相对相位差并非严格的-π弧度，但不应该偏离太远，其值应该在-π弧度附近，根据这一原则，选取合适的N以及符号，得到Δv+N*Δv0＝Δv_dGHz。据此可得Δv，根据公式（1）,可得总相位差。这个值代入（2）反推出Δδ1，可得在A点s和p之间的相对相位差，如图5所示。图中θ_B、θ_C分别为布鲁斯特角和全反射角。

2、薄膜折射率测量，β指相位,|E_i|为幅度,E_i为电场强度

$\left\{\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{ip}}=\left|E_{\mathrm{ip}}\right|e^{i{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ip}}}\\ E_{\mathrm{is}}=\left|E_{\mathrm{is}}\right|e^{i{\mathrm{\β}}_{\mathrm{is}}}\\ E_{\mathrm{rp}}=\left|E_{\mathrm{rp}}\right|e^{i{\mathrm{\β}}_{\mathrm{rp}}}\\ E_{\mathrm{rs}}=\left|E_{\mathrm{rs}}\right|e^{i{\mathrm{\β}}_{\mathrm{rs}}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

定义下列反射、透射系数

$\left\{\begin{array}{cc}{r}_p=E_{\mathrm{rp}}/E_{\mathrm{ip}},& r_s=E_{\mathrm{rs}}/E_{\mathrm{is}}\\ t_p=E_{\mathrm{tp}}/E_{\mathrm{ip}},& t_s=E_{\mathrm{ts}}/E_{\mathrm{is}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

根据麦克斯维方程和界面上连续性条件并利用折射定律有

r为分别为各个界面s和p的反射率,φ为各个入射和衍射角度。

界面对于入射光电矢量的p、s分量有着不同的反射、透射系数。因此，反射光和入射光的偏振态不同,如图5所示。为了分别考察反射对于光波的振幅和相位的影响，我们把r_p、r_s写成如下的复数形式：

$\left\{\begin{array}{cc}{r}_p=\left|r_p\right|\exp \left(i{\mathrm{\δ}}_p\right)& \left(7\right)\\ r_s=\left|r_s\right|\exp \left(i{\mathrm{\δ}}_s\right)& \left(8\right)\end{array}\right.$

由式(4)，得：

$G=\mathrm{tg\ψ}{e}^{\mathrm{i\Δ}}=\frac{|E_{\mathrm{rp}}/E_{\mathrm{rs}}|}{|E_{\mathrm{ip}}/E_{\mathrm{is}}|}{e}^{i\{({\mathrm{\β}}_{\mathrm{rp}}-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{rs}})-({\mathrm{\β}}_{\mathrm{ip}}-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{is}})\}}---\left(9\right)$

其中: $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{tg\ψ}==\frac{|E_{\mathrm{rp}}/E_{\mathrm{rs}}|}{|E_{\mathrm{ip}}/E_{\mathrm{is}}|}\\ e^{\mathrm{i\Δ}}=e^{i\{({\mathrm{\β}}_{\mathrm{rp}}-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{rs}})-({\mathrm{\β}}_{\mathrm{ip}}-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{is}})\}}\end{array}\right.---\left(10\right)$

这时需测2个量，即分别测反射光中的两分量振幅比与入射光中的两分量振幅比,相位差变换。对于金属，折射率为复数，可以分解为虚部和实部n₂＝N-iNK。代入上面公式可以得到（N，K）与（Ψ,Δ）的对应关系，有近似关系 ${(n_2^2-n_1^2{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_1)}^{1/2}\≈n_2.$ 所以有：

$\left\{\begin{array}{c}N=n_1\sin {\mathrm{\φ}}_1\mathrm{tg}{\mathrm{\φ}}_1\cos 2\mathrm{\Ψ}/(1+\sin 2\mathrm{\Ψ}\cos \mathrm{\Δ})\\ K=\mathrm{tg}2\mathrm{\Ψ}\sin \mathrm{\Δ}\end{array}\right.---\left(11\right)$

3、薄膜厚度测量

由于光在界面1、2之间的多次反射、折射对p、s分量是相同的，故舍去下角标p、s，并用r₁₂、t₁₂和r₂₁、t₂₁分别表示来自介质1的光线和来自介质2的光线的反射、透射系数，用r₂₃、t₂₃表示界面2对来自介质2的光线的反射、透射系数,如图5所示.这样，总反射波中各分波的复振幅为r₁₂E_i，t₁₂t₂₁r₂₃e^-i2δE_i,从中可以算出用2δ表示相邻两分波的相位差,其中定义薄膜对于入射光电矢量的p分量的总反射系数分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_p=E_{\mathrm{rp}}/E_{\mathrm{ip}}\\ r_s=E_{\mathrm{rs}}/E_{\mathrm{is}}\end{array}\right.---\left(12\right)$

用r_1p、r_1s表示光线的p分量、s分量在界面1、2间的反射系数,用r_2p、r_2s表示光线的p分、s分量在界面2、3间的反射系数.由多光束干涉的复振幅计算可知:

$\left\{\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{rp}}=\frac{r_{1p}+r_{2p}{e}^{-i2\mathrm{\δ}}}{1+r_{1p}{r}_{2p}{e}^{-i2\mathrm{\δ}}}{E}_{\mathrm{ip}}\\ E_{\mathrm{rs}}=\frac{r_{1s}+r_{2s}{e}^{-i2\mathrm{\δ}}}{1+r_{1s}{r}_{2s}{e}^{-i2\mathrm{\δ}}}{E}_{\mathrm{is}}\end{array}\right.---\left(13\right)$

其中E_ip和E_is分别代表入射光波电矢量的p分量和s分量，E_rp和E_rs分别代表反射光波电矢量的p分量和s分量.现将上述E_ip、E_is、E_rp、E_rs四个量写成一个量G,即:

$G=\frac{E_{\mathrm{rp}}/E_{\mathrm{rs}}}{E_{\mathrm{ip}}/E_{\mathrm{is}}}={\mathrm{tg\ψe}}^{\mathrm{i\Δ}}=\frac{r_{1p}+r_{2p}{e}^{-i2\mathrm{\δ}}}{1+r_{1p}{r}_{2p}{e}^{-i2\mathrm{\δ}}}/\frac{r_{1s}+r_{2s}{e}^{-i2\mathrm{\δ}}}{1+r_{1s}{r}_{2s}{e}^{-i2\mathrm{\δ}}}---\left(14\right)$

定义G为反射系数比，它应为一个复数，可用tgψ和Δ表示它的模和幅角，上述公式的过程量转换可由菲涅耳公式和折射公式给出:

$\left\{\begin{array}{c}{r}_{1p}=(n_2\cos {\mathrm{\φ}}_1-n_1\cos {\mathrm{\φ}}_2)/(n_2\cos {\mathrm{\φ}}_1+n_1\cos {\mathrm{\φ}}_2)\\ r_{2p}=(n_3\cos {\mathrm{\φ}}_2-n_2\cos {\mathrm{\φ}}_3)/(n_3\cos {\mathrm{\φ}}_2+n_2\cos {\mathrm{\φ}}_3)\\ r_{1s}=(n_1\cos {\mathrm{\φ}}_1-n_2\cos {\mathrm{\φ}}_2)/(n_1\cos {\mathrm{\φ}}_1+n_2\cos {\mathrm{\φ}}_2)\\ r_{2s}=(n_2\cos {\mathrm{\φ}}_2-n_3\cos {\mathrm{\φ}}_3)/(n_2\cos {\mathrm{\φ}}_2+n_3\cos {\mathrm{\φ}}_3)\\ 2\mathrm{\δ}=4\mathrm{\πd}{n}_2\cos {\mathrm{\φ}}_2/\mathrm{\λ}\\ n_1\sin {\mathrm{\φ}}_1=n_2\sin {\mathrm{\φ}}_2=n_3\sin {\mathrm{\φ}}_3\end{array}\right.---\left(15\right)$

可以看出，G最终是n₁，n₂，n₃，d，λ和的函数。对于某一给定的薄膜－衬底光学体系，如果波长和入射角确定，G便为定值。从实验上测出ψ和Δ，就能求出n₁，n₂，n₃，d，中的两个未知量。

该装置探测系统的扫描频率可通过光栅和半导体二极管控温技术分别实现快速小范围细调和慢速大范围粗调，实现对激光频率的调谐与控制。经过这些途径，可将光栅选频决定的激光频率与F-P腔决定的激光频率调成接近一致。利用激光振荡的物理机制，使得在F-P腔的谐振频率上产生激光振荡。并可通过改变半波片使得输入F-P腔的偏振调节,实现F-P腔的s和p偏振的反馈光探测。

Claims (3)

1.一种用于介质内测量薄膜厚度和折射率的装置，其特征在于：包括半导体二极管、非球面准直透镜、衍射光栅、半波片、可拆解的隔离器、PD探测器、F-P腔、F-P腔压电陶瓷和F-P腔热沉；

所述F-P腔包括第一高反射膜、第二高反射膜和被测反射膜；第一高反射膜和第二高反射膜，均为平面结构，成一定角度放置，构成F-P腔的两端反射面，反射率能达到99.9％；所成角度能保证光束分别垂直入射第一高反射膜和第二高反射膜；待测反射膜作为平面环形F-P腔的入射面和输出耦合面；

F-P腔压电陶瓷粘在F-P腔的第一高反射膜上，能对F-P腔进行频率调谐；

所述可拆解的隔离器包括第一偏振分束器、第二偏振分束器和磁极；第一偏振分束器、第二偏振分束器通过磁极连接；

非球面准直透镜位于半导体二极管与衍射光栅之间，与半导体二极管同轴，位于衍射光栅的左侧位置，成衍射光的入射角；可拆解的隔离器位于衍射光栅的右侧位置，成第一衍射角；PD探测器位于第一偏振分束器的正下方；半波片位于可拆解的隔离器ISO与被测反射膜中间，与可拆解的隔离器ISO共轴；

自半导体二极管发出的光线经非球面准直透镜准直后，入射到衍射光栅，再经衍射光栅衍射，其一级衍射被原路反射回，零级衍射经可拆卸的光隔离器后，再经过半波片，入射到F-P腔形成光反馈，其反馈光依次通过第二偏振分束器、第一偏振分束器后，被PD探测器检测，通过示波器显示，实现对反馈光强度和光谱特性的检测。

2.根据权利要求1所述的一种用于介质内测量薄膜厚度和折射率的装置，其特征在于：第一偏振分束器和第二偏振分束器能分别顺时针或者逆时针旋转。

3.根据权利要求1所述的一种用于介质内测量薄膜厚度和折射率的装置，其特征在于：所述半波片能沿顺时针或者逆时针旋转。