CN104749113B - 一种测量玻璃光学常数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量玻璃光学常数的方法，涉及玻璃生产及深加工技术领域，解决了现有技术无法准确测量出玻璃光学常数的技术问题。本发明的主要技术方案为：一种测量玻璃光学常数的方法包括如下步骤：测量出玻璃样品在预定波长范围内的透射光谱；建立复合振子模型，对复合振子模型参数进行设置，形成初始值；以初始值为搜索起点，以透射光谱为搜索依据，利用遗传算法获得复合振子模型参数的最佳值，得到最佳复合振子模型；由最佳复合振子模型得到所述玻璃样品的介电常数；将玻璃样品的介电常数转换成所述玻璃样品的折射率和消光系数。本发明能够以简单、快速的方法获得准确的玻璃光学常数。

Description

一种测量玻璃光学常数的方法

技术领域

本发明涉及玻璃生产及深加工领域，尤其涉及一种测量玻璃光学常数的方法。

背景技术

玻璃的光学常数包括折射率和消光系数。折射率主要体现玻璃对光的反射情况；消光系数主要体现玻璃对光的吸收情况。而玻璃对光的吸收情况是由玻璃的成分及熔制工艺决定；因此，测量玻璃的消光系数，分析玻璃的吸收数据，可以用于研究玻璃生产的工艺性能。另外，在玻璃深加工的镀膜领域中，镀膜产品的光学性能由玻璃基底和膜层共同决定，玻璃基底的光学常数是进行膜系设计的基础，采用不同光学常数的玻璃镀制相同的膜层会得到不同光学效果的产品。在批量生产中需要实现批次间产品性能的一致性，因此检验并控制玻璃基底光学常数的一致是保证生产质量一致性的重要内容。

目前，一般利用椭偏仪对材料的光学常数进行测试。该仪器的测量原理是：利用光线经材料表面反射后的P方向和S方向偏振光的强度及相位信息，对材料的光学常数进行分析。

发明人发现，虽然采用上述椭偏原理测量材料光学常数的方法应用范围广，但其具有如下缺点：第一，相应测试仪器操作复杂；第二，由于其利用反射强度及相位信息，对于光线有吸收的材料(如，浮法玻璃)及厚度较薄的玻璃，其测量结果不准确，具有局限性。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种测量玻璃光学常数装置及方法，主要目的以简单、快速的方法获得准确的光学常数。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

一方面，本发明实施例提供了一种测量玻璃光学常数的方法，所述光学常数包括折射率和消光系数；所述方法包括如下步骤：

测量出玻璃样品在预定波长范围内的透射光谱；

建立复合振子模型，所述复合振子模型表示所述玻璃样品材料的介电常数随波长的变化关系；

对所述复合振子模型参数进行设置，形成初始值；

以所述初始值为搜索起点，以所述透射光谱为搜索依据，利用遗传算法获得复合振子模型参数的最佳值，得到最佳复合振子模型；

将所述最佳复合振子模型转换成所述玻璃样品的介电常数；

将所述玻璃样品的介电常数转换成所述玻璃样品的折射率和消光系数。

前述的测量玻璃光学常数的方法，采用分光光度计测量出玻璃样品在300-2500nm波长范围内的透射光谱；所述透射光谱为测量透射光谱。

前述的测量玻璃光学常数的方法，所述复合振子模型如下式所示：

ε(E)＝ε₁(E)-iε₂(E)＝eoffset+pole(A_n,E_n,E)+Gaussian(A_n1,E_n1,B_r1,E)+

Gaussian(A_n2,E_n2,B_r2,E)+Gaussian(A_n3,E_n3,B_r3,E)+Gaussian(A_n4,E_n4,B_r4,E)；

式中，ε(E)表示介电常数随光子能量E的变化函数，ε₁为介电常数的实部，ε₂为介电常数的虚部；eoffset为介电常数实部修正参数；pole(A_n,E_n,E)为极振子随光子能量E的变化函数，A_n为该极振子振动强度、E_n为该极振子振动中心位置；Gaussian(A_n1,E_n1,B_r1,E)为高斯振子随光子能量E的变化函数，A_n1为第一个高斯振子振动强度、E_n1为第一个高斯振子振动中心位置、B_r1为第一个高斯振子振动半峰宽、A_n2为第二个高斯振子振动强度、E_n2为第二个高斯振子振动中心位置、B_r2为第二个高斯振子振动半峰宽、A_n3为第三个高斯振子振动强度、E_n3为第三个高斯振子振动中心位置、B_r3为第三个高斯振子振动半峰宽、A_n4为第四个高斯振子振动强度、E_n4为第四个高斯振子振动中心位置、B_r4为第四个高斯振子振动半峰宽。

前述的测量玻璃光学常数的方法，以所述初始值为搜索起点，以所述透射光谱为搜索依据，利用遗传算法获得复合振子模型参数的最佳值，得到最佳复合振子模型的步骤，包括：

利用遗传算法，通过复合振子模型参数设置的初始值生成初始种群；

将种群内个体振子模型转换成种群内个体介电常数；

将种群内个体介电常数转换成种群内个体光学常数；

通过所述玻璃样品的厚度和种群内个体光学常数，利用导纳矩阵光谱计算方法，得到种群内个体的计算透射光谱T_J(λ)；

将种群内个体的计算透射光谱与测量透射光谱按照评价函数进行比较排序；其中，所述评价函数为计算光谱T_J(λ)和测量光谱T_C(λ)之间的均方差MSE；

若MSE＜10^-3或≥40次迭代，则终止遗传过程；

若MSE≥10^-3且＜40次迭代，则继续遗传过程，并生成新的种群。

前述的测量玻璃光学常数的方法，通过遗传过程控制参数控制所述遗传过程；其中，遗传过程控制参数设置范围为：

种群中个体数量为：30-40个；

精英数量为3-20个；

交叉比例为0.2-0.8。

前述的测量玻璃光学常数的方法，将复合振子模型转换成玻璃样品的介电常数的步骤，具体为：

根据高斯振子的参数，分别计算出每个高斯振子的介电常数虚部和每个高斯振子的介电常数实部；

将四个高斯振子的介电常数虚部进行合并，得到总高斯振子的介电常数虚部；

将四个高斯振子的介电常数实部进行合并，得到总高斯振子的介电常数实部；

根据极振子参数计算出极振子的介电常数实部；

所述总高斯振子的介电常数虚部为玻璃样品的介电常数虚部；

根据总高斯振子的介电常数实部、极振子的介电常数实部、介电常数实部修正参数得到玻璃样品的介电常数实部；

根据玻璃样品的介电常数实部、介电常数虚部，得到玻璃样品的介电常数。

前述的测量玻璃光学常数的方法，根据下式将玻璃样品的介电常数转换成所述玻璃样品的折射率和消光系数：

其中，n为玻璃样品的折射率，k为玻璃样品的消光系数，ε₁为介电常数的实部，ε₂为介电常数的虚部。

本发明实施例提出的一种测量玻璃光学常数的方法，通过玻璃样品的透射光谱，根据玻璃样品材料的特点建立以高斯振子及极振子为核心的复合振子光学模型，利用遗传算法进行数据分析获得玻璃材料的光学常数。通过上述方法中采用的样品透射光谱、复合振子模型及遗传算法的结合，使得对分析光学常数中的消光系数更为有效，能够得到准确的光学常数。另外，本发明实施例的方法避免了现有技术中的繁琐仪器操作及数据处理过程，降低了生产企业设备购置、维护及人员成本，适应于玻璃生产企业及深加工工厂生产对数据准确、快速分析的需求，对分析控制玻璃及相关深加工产品光学性能一致性具有重要意义。

附图说明

图1A、图1B为现有技术中椭偏仪测量玻璃光学常数的测量原理及局限性的示意图；

图2为本发明实施例提供的测量玻璃光学常数的测量光路原理图；

图3为本发明实施例提供的一种测量玻璃光学常数的方法的流程图；

图4为本发明实施例提供的利用遗传算法搜索复合振子参数最佳值的流程图；

图5为本发明实施例提供的由复合振子模型转换成光学常数的原理及流程示意图；

图6为本发明实施例提供的玻璃样品的测量透射光谱图；

图7为本发明一实施例提供的玻璃样品的测量光谱与复合振子模型参数最佳值对应的计算光谱的对比图；

图8为本发明另一实施例提供的玻璃样品的测量光谱与复合振子模型参数最佳值对应的计算光谱的对比图；

图9为玻璃样品介电常数实部的对比图；

图10为玻璃样品介电常数虚部的对比图；

图11为玻璃样品折射率的对比图；

图12为玻璃样品消光系数的对比图；

图13为玻璃样品的反射光谱的对比图；

图14为玻璃光学常数对镀膜产品一致性的影响的示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的一种测量玻璃光学常数的方法其具体实施方式、特征及其功效，详细说明如下。

本发明是基于以下技术问题提出的：发明人发现玻璃的光学常数(折射率、消光系数)对玻璃的性能及生产工艺具有重要的影响。例如：在紫外波段，紫外线对玻璃的作用是造成电子(主要是氧离子的电子)的激发，当氧离子被束缚得很牢固，使它激发需要很大能量，即需要用波长很短的紫外线照射。但实际玻璃材料中存在很多断桥氧，其氧离子对电子的束缚得不十分牢固，波长较长即能量较小的紫外光照射就能使之激发，而产生对紫外波段的吸收。在红外线波段，对玻璃的作用是造成整个原子团或玻璃网络的振动，程度大的造成转动，从而产生对红外波段的光吸收。玻璃中元素的成分及熔化时的气氛条件会使离子的形成不同价态及相应的氧配位体，因此，测量玻璃的消光系数，分析玻璃的吸收数据，可以用于研究玻璃生产的工艺性能。另外，在玻璃深加工的镀膜领域中，检验并控制玻璃基底光学常数的一致是进行后续膜系设计并保证生产质量一致性的重要内容。

所以，在玻璃的生产及深加工领域中，需要准确地测量出玻璃的光学常数。而现有技术中常用的椭偏仪具有如下缺点：椭偏仪的专业性强、操作复杂，而且由于椭偏原理利用反射光强度及相位信息，对于光有吸收的材料不敏感。另外在对椭偏测量的结果进行分析时，实质是利用光的相干性原理分析材料光学常数，由于常用的玻璃材料是有微弱吸收的透明材料，入射光从玻璃第一界面11会到达玻璃第二界面12并在内部产生多次反射现象(如图1A)，对于厚度在毫米量级的块体材料，由于厚度远超过了光的相干范围，只有一次反射光R1才是有效信息，第二界面反射产生的R2、R3等光的偏振及相位信息均对R1产生干扰，该问题被称为退偏。当玻璃厚度越薄，将有更多的非相干光进入探测器2(如图1B)，因此椭偏测量方法在测试具有微弱吸收的透明块体材料的光学常数具有一定局限性，尤其当块体较薄时，局限性更为突出。

基于上述问题，本发明的发明人提出一种玻璃光学常数的测量方法，图2为本发明涉及的玻璃光学常数测量光路原理，如图2所示，本发明利用分光光度计测量玻璃样品的垂直透射光谱，透射光谱数据能够反映玻璃材料的吸收能力，并结合样品的厚度可以分析玻璃材料的光学常数。玻璃样品厚度的变化体现为光透过率的变化，反应对光的吸收多少，是分析光学常数的有效信息，不会对数据采集构成干扰。因此，本发明提供的玻璃光学常数测试方法能够体现玻璃对光的吸收性能，不受样品厚度的影响，突破了椭偏测量方法在玻璃光学常数测量的局限性。

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

本实施例提供一种测量光学常数的方法，具体流程如图3所示，其包括如下步骤：

1、测量出玻璃样品在预定波长范围内的透射光谱。

该步骤主要采用分光光度计测量玻璃样品在300-2500nm波段的透射光谱(透光率)。

为了与后期的计算透射光谱作出区分，该步骤中的透射光谱记为测量透射光谱。

2、建立复合振子模型；该复合振子模型表示出玻璃样品材料的介电常数随波长的变化关系。

该步骤中，复合振子模型(以高斯振子及极振子为核心)体现了玻璃材料的介电常数性质。复合振子模型实质是用函数的形式表示介电常数实部、虚部随波长的变化关系，体现玻璃材料中原子、离子与光谱响应发生能级跃迁、谐振的情况。

该步骤中的复合振子模型包括四个高斯振子、一个极振子、一个介电常数实部修正参数。其中，每个振子的参数主要包括振动强度、振动中心位置及振动的半峰宽。其中，高斯振子有三个参数，分别表示振动强度A_n、振动中心位置E_n和振动半峰宽B_r；该步骤涉及的四个高斯振子共12个参数。极振子的振动半峰宽为零，只有振动强度A_n和振动中心位置E_n两个参数。介电常数实部修正参数仅为一个不随波长变化的实数，用于修正介电常数实部在分析波长范围内的大小。因此，本实施例所涉及的复合振子参数(或称为振子模型参数)共15个(4个高斯振子共12个，极振子共2个，介电常数修正参数1个)。

为了体现玻璃材料中原子、离子与光子谐振能量特征，以上各个复合振子参数以光子能量表示，光子能量E与波长λ(nm)的换算关系为式(1)：

光子能量E＝1240/波长λ(nm) 式(1)

式(1)中，光子能量E的单位为电子福特(ev)。

3、对所述复合振子模型参数进行设置，形成初始值；

4、以所述初始值为搜索起点，以测量透射光谱为搜索依据，利用遗传算法获得复合振子模型参数的最佳值，得到最佳复合振子模型。

该步骤主要是基于：步骤3中的复合振子模型参数设置、步骤1中所测量的透射光谱数据构成遗传算法最佳值搜索的起点及依据。由遗传算法获的复合振子模型参数最佳值，进而得到最佳复合振子模型。

具体地，遗传算法获得复合振子模型参数最佳值的搜索过程如图4所示。如图4所示，根据振子模型参数设置的初始值生成振子模型初始种群(本实施例设置的种群大小为35个，即每次生成的种群中含35个个体，每个个体对应一组复合振子参数)。根据本发明实施例涉及的玻璃材料光学常数分析中精度及运算量，种群中个体不大于40个、不小于30个。将种群中每个个体对应的一组复合振子参数由复合振子模型生成种群内个体振子模型。由复合振子模型中高斯振子的输入参数获得高斯振子对应介电常数虚部，通过振子-介电常数转换，将各高斯振子的虚部转换出对应的实部，从而形成完整各振子的实部、虚部，并对种群中每个个体进行同样的转换，形成种群内个体介电常数。通过介电常数-光学常数的转换将种群内个体介电常数转换成种群内个体光学常数。

利用游标卡尺或千分尺测量出玻璃样品的厚度，以毫米(mm)为单位精确到0.01mm，结合上述种群个体光学常数，利用导纳矩阵光谱计算方法计算种群内个体的模型透射光谱(计算透射光谱)T_J(λ)。

将计算透射光谱T_J(λ)与步骤1中测量透射光谱T_C(λ)按照评价函数进行比较排序。评价函数以计算透射光谱和测量透射光谱之间的均方差为依据，如式(2)，MSE越小，结果精度越高，相应的个体的振子参数越接近最佳值。

式(2)

遗传算法实质是一种迭代循环过程，若循环过程满足遗传终止条件，即得到复合振子模型参数最佳值，若不满足遗传终止条件，则继续进行遗传过程，遗传过程由遗传算法参数设置的种群大小、迭代次数、精英数量、交叉比例参数来确定，并生成振子模型参数新种群，再进行上述振子模型种群转化为种群个体振子模型、转换成种群内个体介电常数模型、转换成种群内个体光学常数、计算出计算透射光谱、将计算透射光谱T_J(λ)与步骤1中测量透射光谱T_C(λ)按照评价函数进行比较排序的过程，直至满足遗传终止条件，并获得此时的复合振子模型参数最佳值。

本实施例设定遗传终止条件为满足MSE小于10^-3或达到40次迭代任意一个条件就终止遗传过程，即获得此时振子模型参数最佳值。遗传算法有其固有的编程方式，通过振子模型参数设置的初始值生成振子模型初始种群，通过遗传算法参数设置控制遗传过程，遗传算法参数包括：种群大小、遗传过程通过种群大小、迭代次数、精英数量、交叉比例设定，本实施例通过运算量及收敛速度分析遗传算法参数设置范围为：种群大小即种群中个体数量不大于40个、不小于30个；迭代次数不大于40次、不小于25次(该条件即为2-9遗传终止条件之一)；精英数量不大于种群大小的一半、不小于3个；交叉比例不大于0.8、不小于0.2。本发明优选2-10遗传算法参数为种群大小为35个个体、遗传迭代40次、精英数量为8个，交叉比例0.5。

5、将所述最佳复合振子模型转换成所述玻璃样品的介电常数。

如图3所示，在通过遗传算法搜索获得振子模型参数最佳值后，同样利用复合振子模型生成最佳振子模型，由振子-介电常数转换将各高斯振子的虚部转换出对应的实部，从而形成完整各振子的实部、虚部，形成最佳的介电常数。

6、将所述玻璃样品的介电常数转换成所述玻璃样品的折射率和消光系数。

通过介电常数-光学常数转换将最佳介电常数转换成最佳光学常数，即为所测玻璃样品的光学常数。

上述步骤中，复合振子模型用函数表示的介电常数如式(3)所示：

ε(E)＝ε₁(E)-iε₂(E)

＝eoffset+pole(A_n,E_n,E)+Gaussian(A_n1,E_n1,B_r1,E)+

Gaussian(A_n2,E_n2,B_r2,E)+Gaussian(A_n3,E_n3,B_r3,E)+Gaussian(A_n4,E_n4,B_r4,E) 式(3)；

式(3)中，ε(E)表示介电常数随光子能量E的变化函数，ε₁为介电常数的实部，ε₂为介电常数的虚部；eoffset介电常数实部修正参数；pole(A_n,E_n,E)为极振子随光子能量E的变化函数，A_n为该极振子振动强度、E_n为该极振子振动中心位置；Gaussian(A_n1,E_n1,B_r1,E)为高斯振子随光子能量E的变化函数，A_n1为第一个高斯振子振动强度、E_n1为第一个高斯振子振动中心位置、B_r1为第一个高斯振子振动半峰宽。A_n2为第二个高斯振子振动强度、E_n2为第二个高斯振子振动中心位置、B_r2为第二个高斯振子振动半峰宽。A_n3为第三个高斯振子振动强度、E_n3为第三个高斯振子振动中心位置、B_r3为第三个高斯振子振动半峰宽。A_n4为第四个高斯振子振动强度、E_n4为第四个高斯振子振动中心位置、B_r4为第四个高斯振子振动半峰宽。

如式(3)所示，本实施例使用了4个高斯振子，各振子有不同的参数。本实施例主要分析300nm-2500nm波长范围的光学常数，按式(1)对应的光子能量E范围为4.13eV-0.49eV，为提高分析精度及兼容性，在分析过程中采用的光子能量E范围为4.5eV-0.45eV。

在式(3)中，eoffset仅为一不随光子能量的变化的实数用于对介电常数实部进行修正。式(3)中，极振子pole(A_n,E_n,E)仅影响介电常数的实部，在给定为A_n振动强度、E_n振动中心位置的情况下，极振子随光子能量E的变化函数如式(4)。

式(4)

在式(3)中，高斯Gaussian振子对介电常数的实部、虚部均有影响。在给定为A_n振动强度、E_n振动中心位置、B_r振动半峰宽的情况下，高斯振子随光子能量E的变化函数如式(5)、(6)、(7)所示。

Gaussian(A_n,E_n,B_r,E)＝ε_g1+iε_g2 式(5)

式(6)

式(6-1)

式(6-2)

式(7)

本实施例所涉及到的振子模型-介电常数转换、介电常数-光学常数转换分析流程如图5所示，振子模型参数为一组完整的12个参数的各振子参数，可以是振子模型参数设置，也可以是振子模型参数最佳值、振子模型初始种群中的个体、振子模型参数新种群中的个体。

在进行振子模型-介电常数转换时，根据式(6)，将每一个高斯振子的参数(An,Bn,En)转换成该高斯振子对应的介电常数虚部(可称为：高斯振子的介电常数虚部或高斯振子介电常数虚部)，再利用式(7)由高斯振子介电常数虚部得到对应的该高斯振子介电常数实部。

通过式(6)、式(7)，逐一按该步骤得到每个高斯振子介电常数实部、每个高斯振子介电常数虚部；再将每个高斯振子的介电常数实部、虚部分别进行合并(加和)，得到复合振子模型中全部高斯振子的介电常数实部(或称为总高斯振子的介电常数实部)、全部高斯振子的介电常数虚部(或称为总高斯振子的介电常数虚部)。

如，本发明实施例的复合振子模型中一共四个高斯振子，分别计算出每个高斯振子对应的介电常数虚部、介电常数实部；再将这四个介电常数虚部进行合并，得到总高斯振子的介电常数虚部；将四个介电常数实部进行合并，得到总高斯振子的介电常数实部。

上述合并后的高斯振子介电常数虚部(即，总高斯振子的介电常数虚部)为复合振子模型介电常数的虚部。

利用式(4)由极振子参数得到对应的极振子的介电常数实部(或称为极振子介电常数实部)。

这样由振子模型参数中的介电常数实部修正值、总高斯振子介的电常数实部、极振子介电常数合并构成复合振子的介电常数实部。

由复合振子的介电常数虚部、复合振子的介电常数实部就构成完整的复合振子的介电常数。复合振子的介电常数即为玻璃样品的介电常数。

介电常数-光学常数转换方法利用式(8)、(9)进行，其中ε₁为式(3)中的介电常数的实部，ε₂为式(3)中的介电常数的虚部，n为光学常数中的折射率，k为光学常数中的消光系数(n、k均为正实数)，这样就将某光子能量对应下介电常数转化为相应的光学常数，由于光学常数习惯是指某波长nm对应的光学常数，因此需要利用式(1)将所得的光子能量转换为对应的波长。

式(8)

式(9)

实施例2

采用实施例1中的方法对两批次建筑用浮法玻璃样品的光学常数进行测量，并进行对比分析，以说明本发明实施例1提供的测量分析玻璃光学常数的方法在实际生产中的意义。本实施例中所用的玻璃样品的厚度为5.86mm。

图6为采用分光光度计对两批次的玻璃样品(样品编号为玻璃A、玻璃B)测量获得的测量透射光谱数据。

将玻璃样品A、玻璃样品B进行遗传算法最佳值搜索过程，在进行测量、分析时，采用相同的振子模型参数设置、遗传算法参数。其中，遗传算法参数设置为：种群大小为35个个体、遗传迭代40次、精英数量为8个，交叉比例0.5，评价函数如式(2)。遗传终止条件设置为MSE小于10^-3或达到40次迭代，振子模型参数设置、经过40次遗传迭代过程后搜索获得的振子模型参数最佳值及相应的MSE结果如表1所示。

表1振子模型参数设置、振子模型参数最佳值和相应的MSE结果

按照表1中振子模型参数设置，通过如图4所示流程获得振子模型参数最佳值，并由此得到最佳振子参数对应的模型透射光谱，图7、图8分别为玻璃A、玻璃B样品振子模型参数最佳值对应的模型透射光谱T_J(λ)和与样品测量透过光谱T_C(λ)对比，按式(2)计算均方差MSE分别为7.27×10^-3、6.92×10^-3，该偏差已经优于测量设备的精度，分析获得的振子模型满足分析要求。

本实施例主要用于分析波长300nm-2500nm范围为玻璃材料光学常数，对应的光子能量为4.133eV-0.596eV，为提高分析精度及兼容性，在分析过程中采用的光子能量E范围为4.5eV-0.45eV。由图6及表1可以看出，本实施例涉及到的复合振子模型是根据实际测量数据进行设置，其中介电常数实部修正值eoffset用于衡量在分析范围内介电常数实部的最小值；极振子Pole用来从整体上衡量在超出本发明涉及的测量范围的由远紫外光谱产生的玻璃材料能级跃迁对介电常数实部的影响，同时反应了介电常数实部随波长的变化关系；高斯Gaussian1振子用来从整体上衡量在超出本发明涉及的测量范围的由远紫外光谱产生的玻璃材料能级跃迁吸收对介电常数的影响；高斯Gaussian2振子用来衡量玻璃材料在本发明涉及的测量范围的近紫外光谱区间的能级跃迁吸收对介电常数的影响；高斯Gaussian3振子用来衡量玻璃材料在本发明涉及的测量范围的近红外光谱区间的谐振吸收对介电常数的影响；高斯Gaussian4振子用来衡量玻璃材料在本发明涉及的测量范围的远红外光谱区间的谐振吸收对介电常数的影响；如表1所示最佳振子结果，该两批次玻璃样品的区别主要是由于高斯Gaussian3振子不同造成，其本质为玻璃B样品成份中Fe²⁺离子含量高，导致在光子能量在1.0eV对应光1200nm波长附近的谐振吸收。因此本发明使用的复合振子模型能够全面体现玻璃材料全光谱范围内由于元素组成、化学价态所产生的能级跃迁及化学键谐振现象，从而能够合理分析玻璃材料的介电常数及光学常数。

按照表1中复合振子最佳参数由式(3)、(4)、(5)、(6)、(7)可以得到玻璃样品的介电常数，如图9、图10分别为两批次玻璃样品介电常数的实部和虚部对比。将介电常数的实部和虚部按照式(8)、(9)可以到玻璃样品的光学常数，如图11、图12分别为两批次玻璃样品光学常数的折射率和消光系数对比。

图13为两批次玻璃样品的反射光谱，由于玻璃A样品的折率高于玻璃B样品，因此玻璃A样品的反射率高于玻璃B，光学常数中的消光系数主要体现材料对光的吸收，图12、图6可以看出玻璃B样品的在近红外波段的消光系数较高，其对应的透过率较低。因此从数据分析可以看出，玻璃材料的反射光谱仅能体现光学常数中折射率，无法衡量光学常数中消光系数的变化，而采用本发明的方法利用透过光谱能够合理分析玻璃材料的光学常数中的折射率及消光系数。

实施例3

利用实施例2分析的两批次玻璃作为基片，采用相同的镀膜工艺条件生产的镀膜产品，产品玻面反射光谱如图14，从该图可以看出玻璃光学常数不同导致了二者在最终镀膜产品光学性能上的差异，因此分析确定玻璃基片的光学常数是开展膜系设计并控制相应镀膜产品批次性能一致的基础；结合图1所示光波传播示意图，由于玻璃B样品在近红外波段的消光系数较高，导致多次反射过程中光吸收较多，使R2、R3等光强减小，从而玻面反射在近红外相对降低，因此分析玻璃材料的消光系数对于分析控制镀膜产品玻面反射光学性能的一致性更为重要。

综上所述，本发明实施例提出的一种测量玻璃光学常数的方法，通过玻璃样品的透射光谱，根据玻璃样品材料的特点建立以高斯振子及极振子为核心的复合振子光学模型，利用遗传算法进行数据分析获得玻璃材料的光学常数。通过上述方法中采用的样品透射光谱、复合振子模型及遗传算法的结合，使得对分析光学常数中的消光系数更为有效，能够得到准确的光学常数。另外，本发明实施例的方法避免了现有技术中的繁琐仪器操作及数据处理过程，降低了生产企业设备购置、维护及人员成本，适应于玻璃生产企业及深加工工厂生产对数据准确、快速分析的需求，对分析控制玻璃及相关深加工产品光学性能一致性具有重要意义。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种测量玻璃光学常数的方法，所述光学常数包括折射率和消光系数；其特征在于，所述方法包括如下步骤：

采用分光光度计测量出玻璃样品在300-2500nm波长范围内的透射光谱；所述透射光谱为测量透射光谱；

建立复合振子模型，所述复合振子模型表示所述玻璃样品材料的介电常数随波长的变化关系；

对所述复合振子模型参数进行设置，形成初始值；

以所述初始值为搜索起点，以所述透射光谱为搜索依据，利用遗传算法获得复合振子模型参数的最佳值，得到最佳复合振子模型；

将所述最佳复合振子模型转换成所述玻璃样品的介电常数；

将所述玻璃样品的介电常数转换成所述玻璃样品的折射率和消光系数；

其中，所述复合振子模型如下式所示：

ε(E)＝ε₁(E)-iε₂(E)＝eoffset+pole(A_n,E_n,E)+Gaussian(A_n1,E_n1,B_r1,E)+

Gaussian(A_n2,E_n2,B_r2,E)+Gaussian(A_n3,E_n3,B_r3,E)+Gaussian(A_n4,E_n4,B_r4,E)；

式中，ε(E)表示介电常数随光子能量E的变化函数，ε₁为介电常数的实部，ε₂为介电常数的虚部；eoffset为介电常数实部修正参数；pole(A_n,E_n,E)为极振子随光子能量E的变化函数，A_n为该极振子振动强度、E_n为该极振子振动中心位置；Gaussian(A_n1,E_n1,B_r1,E)为高斯振子随光子能量E的变化函数，A_n1为第一个高斯振子振动强度、E_n1为第一个高斯振子振动中心位置、B_r1为第一个高斯振子振动半峰宽、A_n2为第二个高斯振子振动强度、E_n2为第二个高斯振子振动中心位置、B_r2为第二个高斯振子振动半峰宽、A_n3为第三个高斯振子振动强度、E_n3为第三个高斯振子振动中心位置、B_r3为第三个高斯振子振动半峰宽、A_n4为第四个高斯振子振动强度、E_n4为第四个高斯振子振动中心位置、B_r4为第四个高斯振子振动半峰宽。

2.根据权利要求1所述的测量玻璃光学常数的方法，其特征在于，以所述初始值为搜索起点，以所述透射光谱为搜索依据，利用遗传算法获得复合振子模型参数的最佳值，得到最佳复合振子模型的步骤，包括：

利用遗传算法，通过复合振子模型参数设置的初始值生成初始种群；

将种群内个体复合振子模型转换成种群内个体介电常数；

将种群内个体介电常数转换成种群内个体光学常数；

通过所述玻璃样品的厚度和种群内个体光学常数，利用导纳矩阵光谱计算方法，得到种群内个体的计算透射光谱T_J(λ)；

将种群内个体的计算透射光谱与测量透射光谱按照评价函数进行比较排序；其中，所述评价函数为计算光谱T_J(λ)和测量光谱T_C(λ)之间的均方差MSE；

若MSE＜10^-3或≥40次迭代，则终止遗传过程；

若MSE≥10^-3且＜40次迭代，则继续遗传过程，并生成新的种群。

3.根据权利要求2所述的测量玻璃光学常数的方法，其特征在于，通过遗传过程控制参数控制所述遗传过程；其中，遗传过程控制参数设置范围为：

种群中个体数量为：30-40个；

精英数量大于3个，且不大于种群大小的一半；

交叉比例为0.2-0.8。

4.根据权利要求2所述的测量玻璃光学常数的方法，其特征在于，将复合振子模型转换成玻璃样品的介电常数的步骤，具体为：

根据高斯振子的参数，分别计算出每个高斯振子的介电常数虚部和每个高斯振子的介电常数实部；

将四个高斯振子的介电常数虚部进行合并，得到总高斯振子的介电常数虚部；

将四个高斯振子的介电常数实部进行合并，得到总高斯振子的介电常数实部；

根据极振子参数计算出极振子的介电常数实部；

所述总高斯振子的介电常数虚部为玻璃样品的介电常数虚部；

根据总高斯振子的介电常数实部、极振子的介电常数实部、介电常数实部修正参数得到玻璃样品的介电常数实部；

根据玻璃样品的介电常数实部、介电常数虚部，得到玻璃样品的介电常数。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据下式将玻璃样品的介电常数转换成所述玻璃样品的折射率和消光系数：

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其中，n为玻璃样品的折射率，k为玻璃样品的消光系数，ε₁为介电常数的实部，ε₂为介电常数的虚部。