CN106885787A - 一种测量玻璃表面粗糙薄膜复折射率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量玻璃表面粗糙薄膜复折射率的方法和装置。该方法将棱镜、匹配液和载玻片组装成复合棱镜，载玻片的一面镀有粗糙的待测薄膜，待测薄膜位于复合棱镜的最底部；棱镜、匹配液和和载玻片的折射率相同；使用一束激光从复合棱镜的一侧入射到复合棱镜的底面，经粗糙薄膜与复合棱镜的交界面反射后的光束从棱镜另一侧面出射，测量反射光的光强；逐步旋转复合棱镜或改变复合棱镜的入射角，得到反射光强随入射角变化曲线，再与入射光束光强比较，得到待测薄膜反射率随入射角变化的实验曲线，计算出光强总反射率，再依据光强总反射率计算得到待测薄膜的复折射率。该方法测量精度高，不受复合棱镜的折射率限制，能测量粗糙薄膜的复折射率。

Description

一种测量玻璃表面粗糙薄膜复折射率的方法和装置

技术领域

本发明属于光电精密测量技术领域，特别涉及一种测量玻璃表面粗糙薄膜复折射率的方法和装置。

背景技术

复折射率是薄膜的重要光学参数之一，精确测量各种形态薄膜的复折射率仍然是关键的技术问题。测量薄膜材料的折射率及吸收系数的方法主要包括光度法、椭圆偏振测量法、布儒斯特角法、最小偏向角法及全反射法等。光度法利用薄膜的光谱透射率曲线或者反射率曲线来计算薄膜的折射率或厚度，其测量过程需要经过反复迭代运算，当被测薄膜厚度较薄时测量结果会出现较大误差，且只适用于测量弱吸收膜；椭偏法可以同时测量薄膜的折射率及吸收系数，但是要求薄膜的表面必须光滑；布儒斯特角法、最小偏向角法、全反射法通常只能测量复折射率的实部，少有能测量其虚部(吸收系数)，对薄膜的表面平整度也有较高要求。由于受薄膜表面粗糙度的影响，很难直接测量镀于光滑玻璃或载玻片表面的粗糙膜层的复折射率或吸收系数。

针对涂镀于光滑玻璃表面粗糙薄膜的复折射率测量，本发明方法基于棱镜耦合方式，通过棱镜与折射率匹配液的结合，提出了一种棱镜与匹配液结合的粗糙薄膜复折射率的测量方法。克服了常见方法难以测量表面粗糙薄膜复折射率的不足。特别适合于测量氧化物、金属及半导体等不透明或半透明粗糙薄膜复折射率及吸收系数的测量。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种测量玻璃表面粗糙薄膜复折射率的方法。

本发明的另一目的在于提供一种测量玻璃表面粗糙薄膜复折射率的装置。

本发明的再一目的在于提供所述测量玻璃表面粗糙薄膜复折射率的方法的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种测量玻璃表面粗糙薄膜复折射率的方法，包括如下步骤：

(1)将棱镜、匹配液和载玻片组装成复合棱镜，载玻片的一面镀有粗糙的待测薄膜，待测薄膜位于复合棱镜的最底部，即不和匹配液接触；其中，棱镜、匹配液和载玻片的折射率相同；

(2)使用一束激光从复合棱镜的一侧入射到复合棱镜的底面，经粗糙薄膜与复合棱镜的交界面反射后的光束从棱镜另一侧面出射，测量反射光的光强；逐步旋转复合棱镜或改变复合棱镜的入射角，得到反射光强随入射角变化曲线，再与入射光束光强比较，得到待测薄膜光强反射率随入射角变化的反射率实验曲线；利用反射率实验曲线与理论反射曲线进行数值拟合，得到待测薄膜的复折射率，即折射率(复折射率实部)和吸收系数(复折射率虚部)。

步骤(1)中所述的棱镜优选为等边棱镜。

步骤(2)中所述的测量反射光的光强优选为通过光电探测器测量得到。

所述的理论反射曲线通过式(A)计算得到：

其中R^s为光强总反射率，为棱镜和薄膜样品界面的光强反射率，R^s _0,1为空气和棱镜界面的光强反射率。

所述的数值拟合可通过直接迭代法、模拟退火法和单纯形法等进行。

所述的数值拟合好坏的判据由参数E²来评价，其计算公式如式(B)所示：

其中为第i个测量反射率值，是第i个计算反射率值，为所有J个入射角下的反射率平均值；E²值越接近于1，拟合度越高，得到的复折射率值越准确。

所述的玻璃表面粗糙薄膜复折射率的测量方法，更优选包括如下步骤：

(A)调节光源发射的激光束通过旋转载物台的转轴中心并与其垂直，即与旋转载物台平面平行；

(B)放置第一小孔光阑使光束垂直入射小孔中心，滤除边缘光束，再放置起偏器，使光束垂直起偏器通过，并将起偏器调节为TE模式，使光束变为线偏振光，放置半透半反镜，令镜面与光束成合适角度以便反射自准光线，接着放置第二小孔光阑，进一步滤除边缘光束；

(C)选择棱镜，使用折射率与棱镜折射率一致的载玻片，在载玻片上涂镀粗糙薄膜，把涂镀有粗糙薄膜的载玻片的另一面涂上折射率与棱镜相同的匹配液，并紧贴在棱镜的底面上，得到复合棱镜；

(D)把复合棱镜置于旋转载物台上并调整位置，使复合棱镜上的待测薄膜与复合棱镜的交界面位于旋转载物台中心，且棱镜底边的垂线通过旋转载物台中心；运行旋转载物台，使复合棱镜的棱镜左侧表面与入射光垂直，入射光束一部分在棱镜左侧表面反射，经过第二小孔光阑，在半透半反镜处反射，调整自准光电探测器接收该反射光作为棱镜自准信号；入射光束另一部分从棱镜左侧表面折射经过待测薄膜与复合棱镜交界面反射，反射光从棱镜右侧表面透射，调整光电探测器及外转盘的角度及高度，接收该透射光；把复合棱镜移开，使光电探测器与激光束共轴并直接测量激光光强作为入射到棱镜的光强；二次光强的比较，得到待测薄膜反射率随入射角变化曲线；多次测量该反射率作为一个样品的平均反射率曲线，以消除光强随机变化、振动及外界光或电噪声的影响；

(E)得到待测薄膜反射率随入射角变化的反射率实验曲线后，通过计算机将反射率实验曲线与理论反射曲线进行数值反演或拟合分析，得到待测粗糙薄膜的折射率及吸收系数。

步骤(B)中所述的角度优选为30°～60°。

步骤(C)中所述的棱镜优选为等边棱镜。

所述的等边棱镜优选为折射率为1.46、1.51或1.76的等边棱镜。

一种测量玻璃表面粗糙薄膜复折射率的装置，包含光源、第一小孔光阑、起偏器、半透半反镜、第二小孔光阑、光电探测器、外转盘、旋转载物台、自准光电探测器、步进电机、信号放大与A/D卡和计算机；沿着光束前进的方向，光源、第一小孔光阑、起偏器、半透半反镜、第二小孔光阑和旋转载物台依次排列，步进电机分别和外转盘、旋转载物台与计算机连接，信号放大与A/D卡分别和光电探测器、自准光电探测器以及计算机连接，光电探测器固定于外转盘上，其能与外转盘同步转动；旋转载物台设置在外转盘的中心区域，旋转载物台转动轴与外转盘转动轴同轴，且旋转载物台每转动θ角，外转盘就转动2θ角。

所述的光源优选为小功率激光器，更优选为波长λ＝650nm的半导体激光器。

所述的测量玻璃表面粗糙薄膜复折射率的方法在测量不透明或半透明粗糙薄膜复折射率中的应用。

所述的不透明或半透明粗糙薄膜包括氧化物、金属及半导体等。

本发明方法的原理分析如下：如图1和2所示，设n₀、n₁、n₂分别为空气、棱镜、薄膜的折射率，λ为入射光束波长，分别为空气和棱镜界面的入射角与折射角，为复合棱镜--薄膜界面的入射角(在下面，令空气折射率n₀＝1)。设待测粗糙薄膜的复折射率n₂为(i是数学符号)：

n₂＝N+Ki (1)

其中N为待测薄膜复折射率的实部，K为复折射率的虚部(吸收系数)。两种介质界面处的反射率由菲涅尔公式给出，与入射角有关。根据菲涅尔公式，当光在棱镜薄膜样品界面被反射时，可以得到：

其中参数u₂和v₂是中间变量。

S偏振光入射棱镜薄膜样品界面的振幅反射系数可以表示成：

则棱镜薄膜样品界面的光强反射率表示为：

当出射光离开棱镜介质进空气介质，在两介质界面发生的反射光强损失等于光由空气进入棱镜界面的光强损失。根据折射定律和菲涅尔公式，S偏振光入射时，在空气和棱镜界面的光强反射率为：

理论上测量得到的反射率应该包括入射光经过的各个界面的光强损失，即要考虑入射时和出射时的棱镜空气界面以及棱镜薄膜样品界面。理论上的总反射率由以下公式给出：

利用测量得到的反射率曲线，并与理论反射曲线进行数值拟合，就可以得到薄膜样品的折射率N及吸收系数K。拟合好坏的判据由参数E²来评价。其计算公式如下：

其中为第i个测量反射率值，是第i个计算反射率值，为所有J个反射角下的反射率平均值。E²值越接近于1，拟合度越高，得到的复折射率值越准确。

对于采用P偏振光入射棱镜，也可以得到类似的反射率曲线及相应的理论公式，通过数值反演或拟合，同样能得到薄膜样品的复折射率。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、可以同时测量表面粗糙不透明或弱吸收薄膜的折射率及吸收系数。

2、也可以进一步推广到光滑单层膜及多层薄膜参数的测量。如测量薄膜的厚度及折射率等参数。

3、测量精度高。测量粗糙薄膜折射率及吸收系数误差分别为0.0007及0.0001。

4、测量粗糙薄膜折射率的范围不受复合棱镜折射率限制。

附图说明

图1是本发明提供的复合棱镜的结构及光路示意图。

图2是本发明提供的复合棱镜的光路示意图。

图3是实施例1提供的测量装置的结构示意图。

图4是某待测量得到粗糙薄膜光强反射率与入射角的实验关系曲线图。

其中，1-棱镜、2-匹配液、3-载玻片、4-镀在载玻片上表面粗糙的待测薄膜、5-复合棱镜、6-光源、7-第一小孔光阑、8为起偏器、9为半透半反镜、10-第二小孔光阑、11-光电探测器、12-外转盘、13-旋转载物台、14-自准光电探测器、15-步进电机、16-信号放大与A/D卡、17-计算机。

具体实施方式

下面结合实施例子及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，将棱镜1、匹配液2和载玻片3组装成复合棱镜5，载玻片3的一面镀有粗糙的待测薄膜4，待测薄膜4位于复合棱镜5的最底部，棱镜、匹配液和载玻片的折射率相同。由于棱镜、匹配液及载玻片的折射率相同，复合棱镜5简化后的光路图实质上如图2所示。

一种玻璃表面粗糙薄膜复折射率的测量装置，如图3所示，包括光源6、第一小孔光阑7、起偏器8、半透半反镜9、第二小孔光阑10、光电探测器11、外转盘12、旋转载物台13、自准光电探测器14、步进电机15、信号放大与A/D卡16和计算机17；其中，沿着光束前进的方向，光源6、第一小孔光阑7、起偏器8、半透半反镜9、第二小孔光阑10和旋转载物台13依次排列，步进电机15分别和外转盘12、旋转载物台13与计算机17连接，信号放大与A/D卡16分别和光电探测器11、自准光电探测器14以及计算机17连接，旋转载物台13设置于外转盘12的中心，光电探测器11固定于于外转盘12上且与外转盘12同步转动。

光源6可为小功率激光器(如波长为λ＝650nm的半导体激光器)，其发射的单色光束经第一小孔光阑7，滤除边缘光束后，再经过起偏器8、半透半反镜9及第二小孔光阑10，射向放置于旋转载物台13上的复合棱镜5，光束从复合棱镜5的左侧表面入射，通过待测薄膜与复合棱镜交界面反射后从复合棱镜5的右侧表面出射，最后由光电探测器11接收。当复合棱镜5左侧表面与入射光垂直时，入射光一部分折射，另一部分反射光沿原路返回，经半透半反镜9反射后进入自准光电探测器14上，其信号标记为棱镜转动的起始位置。计算机17发出指令，驱动步进电机15，从而控制外转盘12和旋转载物台13的旋转幅度，放置于旋转载物台13上的复合棱镜5也随之旋转，入射角和反射角发生变化，复合棱镜5与旋转载物台每转动θ角，从棱镜5右侧表面出射的光线就转动2θ角，光电探测器11与外转盘12也转过2θ角，因此，光电探测器11能够同步跟踪与检测复合棱镜5的反射光。光电探测器11接收的光强信号经过放大器与A/D卡16进入计算机17，进行数据处理后得到待测薄膜反射率随入射角变化曲线，与理论公式拟合后求出待测粗糙薄膜的复折射率。

使用该装置进行测量时，光路调整与测量过程如下：

(1)先调节光源6发射的激光束通过旋转载物台13的转轴中心并与其垂直，即与载物台13平面平行。

(2)先放置第一小孔光阑7使光束垂直入射小孔中心，滤除边缘光束，再放置起偏器8，使光束垂直起偏器通过，并将起偏器调节为TE模式，使光束变为线偏振光，放置半透半反镜9，令镜面与光束成合适角度(如30°～60°之间较好)以便反射自准光线，接着放置第二小孔光阑10，进一步滤除边缘光束。

(3)选择合适的棱镜(如折射率为1.46、1.51或1.76等，底角为60度的等边棱镜)，使用折射率与棱镜折射率一致的玻璃片或载玻片涂镀粗糙薄膜，把涂镀有粗糙薄膜的载玻片的另一面涂上折射率匹配液，并紧贴在棱镜的底面上，然后把棱镜、匹配液及载玻片等效为一个折射率为n1的复合棱镜5。

(4)把复合棱镜5置于测量装置的旋转载物台13上并调整位置，使复合棱镜5上的待测薄膜与复合棱镜5的交界面位于载物台中心，且棱镜底边的垂线通过载物台中心。运行旋转载物台13，使复合棱镜5的棱镜左侧表面与入射光垂直，入射光束一部分在棱镜左侧表面反射，经过第二小孔光阑10，在半透半反镜9处反射，调整自准光电探测器14接收该反射光作为棱镜自准信号；入射光束另一部分从棱镜左侧表面折射经过待测薄膜与复合棱镜交界面反射，反射光从棱镜右侧表面透射，调整光电探测器11及外转盘12的角度及高度，接收该透射光；把复合棱镜5移开，使光电探测器11与激光束共轴并直接测量激光光强作为入射到棱镜的光强。二次光强的比较，可以得到待测薄膜反射率随入射角变化曲线。多次测量该反射率作为一个样品的平均反射率曲线，以消除光强随机变化、振动及外界光或电噪声的影响。得到待测薄膜反射率随入射角变化的实验关系曲线后，便可以通过计算机反演或拟合分析后得到待测粗糙薄膜的折射率及吸收系数。

(5)以S偏振光为例，说明一种具体拟合求解薄膜复折射率的过程。如图4为待测薄膜反射率随入射角变化的实验关系曲线选定待测薄膜复折射率范围为(N-ΔN～N+ΔN,K-ΔK～K+ΔK)，设定步长(如N步进步长：0.0001，K步进步长：0.0001)。取棱镜折射率n₁＝1.778，选择N＝1.2000及K＝0.0001开始，代入公式(1)～(7)，计算出多组入射角下的并与实际测量到的薄膜反射率(由实验曲线得到)进行比较，利用公式(8)判别是否接近于1；通过N及K多次循环步进迭代，找出使E²值最接近1的一对精确解(N，K)。经过测量及迭代后得到待测薄膜复折射率为1.3387+0.0042i，实部与虚部的标准差分别为0.0007与0.0001。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测量玻璃表面粗糙薄膜复折射率的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将棱镜、匹配液和和载玻片组装成复合棱镜，载玻片的一面镀有粗糙的待测薄膜，待测薄膜位于复合棱镜的最底部；其中，棱镜、匹配液和载玻片的折射率相同；

(2)使用一束激光从复合棱镜的一侧入射到复合棱镜的底面，经粗糙薄膜与复合棱镜的交界面反射后的光束从棱镜另一侧面出射，测量反射光的光强；逐步旋转复合棱镜或改变复合棱镜的入射角，得到反射光强随入射角变化曲线，再与入射光束光强比较，得到待测薄膜光强反射率随入射角变化的反射率实验曲线；利用反射率实验曲线与理论反射曲线进行数值拟合，得到待测薄膜的复折射率。

2.根据权利要求1所述测量玻璃表面粗糙薄膜复折射率的方法，其特征在于：

步骤(1)中所述的棱镜为等边棱镜；

步骤(2)中所述的测量反射光的光强为通过光电探测器测量得到。

3.根据权利要求1所述测量玻璃表面粗糙薄膜复折射率的方法，其特征在于：

所述的理论反射曲线通过式(A)计算得到：

$R^s=R_{1,2}^s*{(1-R_{0,1}^s)}^2---\left(A\right);$

其中R^s为光强总反射率，为棱镜和薄膜样品界面的光强反射率，R^s _0,1为空气和棱镜界面的光强反射率；

所述的数值拟合好坏的判据由参数E²来评价，其计算公式如式(B)所示：

$E^2=1-\underset{i=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{(R_{m,i}^s-R_i^s)}^2/\underset{i=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{(R_{m,i}^s-\stackrel{\‾}{R^s})}^2---\left(B\right);$

其中为第i个测量反射率值，是第i个计算反射率值，为所有J个入射角下的反射率平均值；E²值越接近于1，拟合度越高，得到的复折射率值越准确。

4.根据权利要求1所述测量玻璃表面粗糙薄膜复折射率的方法，其特征在于包括如下步骤：

(A)调节光源发射的激光束通过旋转载物台的转轴中心并与其垂直，即与旋转载物台平面平行；

(B)放置第一小孔光阑使光束垂直入射小孔中心，滤除边缘光束，再放置起偏器，使光束垂直起偏器通过，并将起偏器调节为TE模式，使光束变为线偏振光，放置半透半反镜，令镜面与光束成合适角度以便反射自准光线，接着放置第二小孔光阑；

(C)选择棱镜，使用折射率与棱镜折射率一致的载玻片，在载玻片上涂镀粗糙薄膜，把涂镀有粗糙薄膜的载玻片的另一面涂上折射率与棱镜相同的匹配液，并紧贴在棱镜的底面上，得到复合棱镜；

(D)把复合棱镜置于旋转载物台上并调整位置，使复合棱镜上的待测薄膜与复合棱镜的交界面位于旋转载物台中心，且棱镜底边的垂线通过旋转载物台中心；运行旋转载物台，使复合棱镜的棱镜左侧表面与入射光垂直，入射光束一部分在棱镜左侧表面反射，经过第二小孔光阑，在半透半反镜处反射，调整自准光电探测器接收该反射光作为棱镜自准信号；入射光束另一部分从棱镜左侧表面折射经过待测薄膜与复合棱镜交界面反射，反射光从棱镜右侧表面透射，调整光电探测器及外转盘的角度及高度，接收该透射光；把复合棱镜移开，使光电探测器与激光束共轴并直接测量激光光强作为入射到棱镜的光强；二次光强的比较，得到待测薄膜反射率随入射角变化曲线；

(E)得到待测薄膜反射率随入射角变化的实验关系曲线后，通过计算机反演或拟合分析后得到待测粗糙薄膜的折射率及吸收系数。

5.根据权利要求4所述测量玻璃表面粗糙薄膜复折射率的方法，其特征在于：步骤(B)中所述的角度为30°～60°；

步骤(C)中所述的棱镜为等边棱镜。

6.根据权利要求5所述测量玻璃表面粗糙薄膜复折射率的方法，其特征在于：所述的等边棱镜为折射率为1.46、1.51或1.76的等边棱镜。

7.一种测量玻璃表面粗糙薄膜复折射率的装置，其特征在于：包含光源、第一小孔光阑、起偏器、半透半反镜、第二小孔光阑、光电探测器、外转盘、旋转载物台、自准光电探测器、步进电机、信号放大与A/D卡和计算机；沿着光束前进的方向，光源、第一小孔光阑、起偏器、半透半反镜、第二小孔光阑和旋转载物台依次排列，步进电机分别和外转盘、旋转载物台与计算机连接，信号放大与A/D卡分别和光电探测器、自准光电探测器以及计算机连接，光电探测器固定于外转盘上，其能与外转盘同步转动；旋转载物台设置在外转盘的中心区域，旋转载物台转动轴与外转盘转动轴同轴，且旋转载物台每转动θ角，外转盘就转动2θ角。

8.根据权利要求7所述的测量玻璃表面粗糙薄膜复折射率的装置，其特征在于：所述的光源为小功率激光器。

9.根据权利要求8所述的测量玻璃表面粗糙薄膜复折射率的装置，其特征在于：所述的光源为波长λ＝650nm的半导体激光器。

10.权利要求1～6任一项所述的测量玻璃表面粗糙薄膜复折射率的方法在测量不透明或半透明粗糙薄膜复折射率中的应用。