CN106679939A - 一种氟化钇光学薄膜红外光学常数计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学薄膜领域，具体涉及一种氟化钇光学薄膜材料在红外波段的光学常数计算方法。本发明通过建立氟化钇薄膜介电常数的四振子复合模型，将测量的基底—薄膜光谱反射率和光谱透射率作为复合目标，利用基底—薄膜物理模型反演计算出薄膜的介电常数，并通过介电常数计算出薄膜的光学常数。本方法对于所有不同沉积方式制备的氟化钇薄膜材料光学常数具有普适性。

Description

一种氟化钇光学薄膜红外光学常数计算方法

技术领域

本发明属于光学薄膜领域，具体涉及一种氟化钇光学薄膜材料在红外波段的光学常数计算方法。

背景技术

红外波段的光学材料如硅、锗、硫化锌、硒化锌和硫系玻璃等，由于其表面的剩余反射率高，作为红外光学系统的透镜使用时必须进行减反射处理。由于红外光学波段一般应用3-5μm和8-12μm，采用宽带红外减反射薄膜技术，可以有效实现红外光学元件高效增透。宽带减反射薄膜一般用不同折射率的薄膜材料交替沉积而成，膜层的排列顺序与厚度大小可通过薄膜设计方法确定。目前，常用于红外波段的薄膜材料主要包括Ge、Si、ZnS、ZnSe、MgF₂、YF₃、YbF₃等，部分氧化物薄膜(Al₂O₃、Y₂O₃、TiO₂、HfO₂等)也可以应用于红外波段。由于薄膜的光学常数在薄膜设计上是重要的物理参数，因此需对不同薄膜材料建立相关的介电常数模型，从其物理特征角度出发表征薄膜的光学常数。

氟化钇(YF₃)薄膜在长波红外的折射率约为1.3，是替代放射性氟化钍薄膜的主要材料。该薄膜的制备方式主要采用热蒸发制备方法，主要有电阻蒸发和电子束蒸发等，配备离子辅助可以增加薄膜的致密度。从目前国内外发表的氟化钇薄膜相关数据来看，无论采用何种沉积方法总是存在薄膜内水吸收的现象，这种现象在薄膜较厚的时候表现较为明显。人们对氟化钇的光学常数研究并未考虑含水吸收的影响，由于水吸收位置在2.98μm和6.5-7.2μm两个区域内，因此水对其吸收区域附近的氟化钇薄膜光学常数影响较大；在长波临近氟化钇薄膜本征振动吸收位置，吸收的变化与其本征振动吸收的特性相关，系统考虑确定氟化钇薄膜的光学常数对于薄膜设计与制备具有重要的意义。

综上所述，如何基于氟化钇薄膜的含水振动吸收特性和氟化钇长波本征振动特性，建立介电常数物理模型，完整表征出氟化钇薄膜的光学特性，对于氟化钇薄膜在多层膜中的应用具有重要的价值。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提出一种氟化钇光学薄膜红外光学常数计算方法，以解决如何建立氟化钇薄膜的红外介电常数模型，准确完整表征薄膜含水振动吸收和本征振动吸收的特性，从而获得具有明确物理意义的氟化钇光学常数的问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种YF₃光学薄膜红外光学常数计算方法，该方法包括如下步骤：

(1)建立YF₃薄膜复合介电常数模型，该复合介电常数模型包含水的振动吸收介电常数模型和YF₃本征振动吸收介电常数模型。

(2)在两个基底上分别制备双面和单面YF₃薄膜；

(3)测量双面YF₃薄膜的光谱透射率和单面YF₃薄膜的光谱反射率；

(4)根据YF₃薄膜的光谱透射率和光谱反射率，反演计算YF₃薄膜复合介电常数模型的振子参数，并反演计算YF₃薄膜在红外波段的介电常数；

(5)根据YF₃薄膜在红外波段的介电常数，计算YF₃薄膜在红外波段的光学常数，包括折射率n和消光系数k。

进一步地，步骤(1)具体包括如下步骤：

1)建立单振子介电常数模型：单个振子线型为高斯线型，单振子介电常数模型的介电常数虚部公式如下：

其中，ω₀为振动峰的中心频率，单位为cm^-1，A为振动峰的强度，B为振动峰的半高宽；

2)建立水振动吸收介电常数模型：水振动吸收介电常数模型为N个单振子介电常数相加，水振动吸收介电常数模型的介电常数虚部公式如下：

其中，ω_j0为第j个水振动峰的中心频率，A_j为第j个水振动峰的强度，B_j为第j个水振动峰的半高宽；

3)建立YF₃本征振动吸收介电常数模型：YF₃本征振动吸收介电常数模型为N’个横向本征振动模式相加，YF₃本征振动吸收介电常数模型的介电常数虚部公式如下：

其中，ω_j0’为第j个YF₃本征振动峰的中心频率，A_j’为第j个YF₃本征振动峰的强度，B_j’为第j个YF₃本征振动峰的半高宽；

4)建立YF₃薄膜复合介电常数模型，复合介电常数模型的介电常数虚部公式如下：

复合介电常数模型的介电常数实部公式如下：

其中，P为主值积分。

进一步地，两个基底为硫化锌基底。

进一步地，两个基底中一个为双面抛光基底，另一个为单面抛光基底。

进一步地，采用电子蒸发离子辅助沉积方法制备YF₃薄膜。

进一步地，步骤(5)中按照如下公式：

计算YF₃薄膜在红外波段的折射率n和消光系数k。

(三)有益效果

本发明通过建立氟化钇薄膜介电常数的四振子复合模型，将测量的基底—薄膜光谱反射率和光谱透射率作为复合目标，利用基底—薄膜物理模型反演计算出薄膜的介电常数，并通过介电常数计算出薄膜的光学常数。本方法对于所有不同沉积方式制备的氟化钇薄膜材料光学常数具有普适性。

附图说明

图1为本发明实施例中氟化钇薄膜的光谱透射率；

图2为本发明实施例中氟化钇薄膜的光谱反射率；

图3为本发明实施例中氟化钇薄膜的光谱透射率拟合结果；

图4为本发明实施例中氟化钇薄膜的光谱反射率拟合结果；

图5为本发明实施例中氟化钇薄膜在红外波段的介电常数；

图6为本发明实施例中氟化钇薄膜在红外波段的折射率n和消光系数k。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本实施例提供一种YF₃光学薄膜红外光学常数计算方法，该方法具体包括如下步骤：

1、建立YF₃薄膜复合介电常数模型，该复合介电常数模型包含水的振动吸收介电常数模型和YF₃本征振动吸收介电常数模型。

复合介电常数模型的介电常数虚部公式如下：

复合介电常数模型的介电常数实部公式如下：

其中，ω_j0为第j个水振动峰的中心频率，A_j为第j个水振动峰的强度，B_j为第j个水振动峰的半高宽；ω_j0’为第j个YF₃本征振动峰的中心频率，A_j’为第j个YF₃本征振动峰的强度，B_j’为第j个YF₃本征振动峰的半高宽；P为主值积分。

2、采用电子蒸发离子辅助沉积方法，在双面抛光和单面抛光的硫化锌基底上分别制备双面和单面YF₃薄膜。

3、利用傅里叶变换光谱仪测量双面YF₃薄膜的光谱透射率和单面YF₃薄膜的光谱反射率，分别如图1和图2所示。

4、利用专业软件，根据YF₃薄膜的光谱透射率和光谱反射率，并反演计算YF₃薄膜复合介电常数模型的振子参数，如表1所示。在2-14μm范围内，YF₃薄膜的本征振动频率分别为350.66cm^-1和420.51cm^-1；在YF₃薄膜中存在三种与水相关的振动吸收，振动中心频率分别在1626.3cm^-1、3206.3cm^-1和3434.9cm^-1，其存在的形式是水分子和羟基团化学物质。光谱反射率和光谱透射率的拟合结果分别如图3和图4所示。反演计算YF₃薄膜在红外波段的介电常数，计算结果如图5所示。

表1 YF₃薄膜复合介电常数模型的振子参数

5、根据YF₃薄膜在红外波段的介电常数，按照如下公式：

计算YF₃薄膜在红外波段的折射率n和消光系数k，计算结果如图6所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种YF₃光学薄膜红外光学常数计算方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)建立YF₃薄膜复合介电常数模型，该复合介电常数模型包含水的振动吸收介电常数模型和YF₃本征振动吸收介电常数模型；

(2)在两个基底上分别制备双面和单面YF₃薄膜；

(3)测量双面YF₃薄膜的光谱透射率和单面YF₃薄膜的光谱反射率；

(4)根据YF₃薄膜的光谱透射率和光谱反射率，反演计算YF₃薄膜复合介电常数模型的振子参数，并反演计算YF₃薄膜在红外波段的介电常数；

(5)根据YF₃薄膜在红外波段的介电常数，计算YF₃薄膜在红外波段的光学常数，包括折射率n和消光系数k。

2.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括如下步骤：

1)建立单振子介电常数模型：单个振子线型为高斯线型，单振子介电常数模型的介电常数虚部公式如下：

${\mathrm{\ϵ}}_{2s}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{A}{B}\[{\exp }^{-{\left(\frac{\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0}{B}\right)}^2}+{\exp }^{-{\left(\frac{\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}_0}{B}\right)}^2}\]$

其中，ω₀为振动峰的中心频率，单位为cm^-1，A为振动峰的强度，B为振动峰的半高宽；

2)建立水振动吸收介电常数模型：水振动吸收介电常数模型为N个单振子介电常数相加，水振动吸收介电常数模型的介电常数虚部公式如下：

${\mathrm{\ϵ}}_{2H_{2}O}\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{A_j}{B_j}\[{\exp }^{-{\left(\frac{\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_{j0}}{B_j}\right)}^2}+{\exp }^{-{\left(\frac{\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}_{j0}}{B_j}\right)}^2}\]$

其中，ω_j0为第j个水振动峰的中心频率，A_j为第j个水振动峰的强度，B_j为第j个水振动峰的半高宽；

3)建立YF₃本征振动吸收介电常数模型：YF₃本征振动吸收介电常数模型为N’个横向本征振动模式相加，YF₃本征振动吸收介电常数模型的介电常数虚部公式如下：

${\mathrm{\ϵ}}_{2{\mathrm{YF}}_3}\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{j=1}{\overset{N^{\′}}{\Σ}}\frac{{A_j}^{\′}}{{B_j}^{\′}}\[{\exp }^{-{\left(\frac{\mathrm{\ω}-{{\mathrm{\ω}}_{j0}}^{\′}}{{B_j}^{\′}}\right)}^2}+{\exp }^{-{\left(\frac{\mathrm{\ω}+{{\mathrm{\ω}}_{j0}}^{\′}}{{B_j}^{\′}}\right)}^2}\]$

其中，ω_j0’为第j个YF₃本征振动峰的中心频率，A_j’为第j个YF₃本征振动峰的强度，B_j’为第j个YF₃本征振动峰的半高宽；

4)建立YF₃薄膜复合介电常数模型，复合介电常数模型的介电常数虚部公式如下：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_2\left(\mathrm{\ω}\right)={\mathrm{\ϵ}}_{2H_{2}O}\left(\mathrm{\ω}\right)+{\mathrm{\ϵ}}_{2{\mathrm{YF}}_3}\left(\mathrm{\ω}\right)\\ =\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{A_j}{B_j}\[{\exp }^{-{\left(\frac{\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_{j0}}{B_j}\right)}^2}+{\exp }^{-{\left(\frac{\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}_{j0}}{B_j}\right)}^2}\]\\ +\underset{j=1}{\overset{N^{\′}}{\Σ}}\frac{{A_j}^{\′}}{{B_j}^{\′}}\[{\exp }^{-{\left(\frac{\mathrm{\ω}-{{\mathrm{\ω}}_{j0}}^{\′}}{{B_j}^{\′}}\right)}^2}+{\exp }^{-{\left(\frac{\mathrm{\ω}+{{\mathrm{\ω}}_{j0}}^{\′}}{{B_j}^{\′}}\right)}^2}\]\end{array}$

复合介电常数模型的介电常数实部公式如下：

${\mathrm{\ϵ}}_1\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{2}{\mathrm{\π}}P{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}\frac{{\mathrm{\ω}}^{\′}{\mathrm{\ϵ}}_2\left({\mathrm{\ω}}^{\′}\right)}{{\mathrm{\ω}}^{\′2}-\mathrm{\ω}}{\mathrm{d\ω}}^{\′}$

其中，P为主值积分。

3.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述两个基底均为硫化锌基底。

4.如权利要求3所述的计算方法，其特征在于，两个基底中一个为双面抛光基底，另一个为单面抛光基底。

5.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，采用电子蒸发离子辅助沉积方法制备YF₃薄膜。

6.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述步骤(5)中按照如下公式：

$\begin{array}{c}n\left(\mathrm{\ω}\right)=\sqrt{\frac{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1^2\left(\mathrm{\ω}\right)+{\mathrm{\ϵ}}_2^2\left(\mathrm{\ω}\right)}+{\mathrm{\ϵ}}_1\left(\mathrm{\ω}\right)}{2}}k\left(\mathrm{\ω}\right)\\ =\sqrt{\frac{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1^2\left(\mathrm{\ω}\right)+{\mathrm{\ϵ}}_2^2\left(\mathrm{\ω}\right)}-{\mathrm{\ϵ}}_1\left(\mathrm{\ω}\right)}{2}}\end{array}$

计算YF₃薄膜在红外波段的折射率n和消光系数k。