CN107367466B - 硫化锌材料短波长散射消光系数的表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种硫化锌材料短波长散射消光系数的表征方法，属于光学材料技术领域。本发明从介电常数方程上建立了散射消光模型，重新构建了硫化锌材料的可见光到红外的介电常数模型，基于介电常数与透过率光谱的关系，在实验上通过测试出光谱透过率，从光谱透过率反向计算出散射消光系数。本发明可应用于不同制备工艺方法的多晶硫化锌材料散射消光系数的测试。

Description

硫化锌材料短波长散射消光系数的表征方法

技术领域

本发明涉及光学材料技术领域，具体涉及一种硫化锌材料短波长散射消光系数的表征方法。

背景技术

硫化锌(ZnS)是一种宽带宽II-VI族半导体材料，可在中波3-5μm和长波8-10μm波段范围内具有良好的透过性能，同时拥有较好的机械稳定性和热稳定性。根据制备工艺技术特点，ZnS材料被分为热压ZnS、标准ZnS和多光谱ZnS，散射与吸收是硫化锌材料的重要的特性，在不同方法制备下，两类损耗的物理机制不同。硫化锌的晶体结构主要有立方相结构和六方相结构两种，为了在红外波段使用，人们常通过控制ZnS为立方相结构进而抑制散射，而对散射损耗和吸收损耗的分离表征测试是提高硫化锌光学透过率的关键。

目前人们采用光谱透过率的方法表征材料性能，但是由于散射和吸收的同时存在，无法从光谱透过率上直接分离散射和吸收的影响。无论是材料的散射还是吸收的测试，需要研制专门的测试仪器。Hahn和Thomas等人通过双向散射分布函数的测试(632.8nm、3.39μm和10.6μm)，得到了硫化锌材料的散射损耗经验公式。另外，在散射损耗控制上，研究人员通过扫描电子显微镜的方法测试材料内部的显微结构，间接通过对晶粒大小和孔隙的控制进而降低散射损耗，表现为材料的透过率提高。如何快速实现散射损耗与吸收损耗的分离，对于硫化锌材料光学特性的评价具有重要意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明针对硫化锌光学窗口材料短波长散射消光系数的测试问题，提供一种短波长散射消光系数的测试方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种硫化锌材料短波长散射消光系数的表征方法，包括以下步骤：

步骤1、定义硫化锌的短波吸收区的介电常数为：

其中，E为光子能量，A₁为短波极子的振幅，E₁为短波极子的中心频率，ε_∞为短波的高频介电常数；

步骤2、将硫化锌的长波吸收区的每个晶格振动频率等效为一个振子，在有x个振子的情况下，长波吸收区的介电常数ε_vabrition和介电常数虚部ε_i表示如下：

其中，ω为波长对应的角频率，A_j为振子的振幅、ω_j为振子的宽度、γ_j为振子的宽度，P表示主值积分；

步骤3、使用Cauchy模型表征多晶的内散射损耗，得到散射源的等效介电常数ε_scanttering；

步骤4、将硫化锌材料的介电常数表征为：

步骤5、根据介电常数与折射率和消光系数的关系，用介电常数实部ε_r和虚部ε_i表示折射率n与消光系数k；

步骤6、对硫化锌样品进行双面抛光，使得表面粗糙度达到1nm以下；

步骤7、根据光学原理，物理厚度为d的平行平板光学材料，其光谱透过率是折射率n与消光系数k和物理厚度d的函数，设置介电常数的参数为变量，利用光谱透过率反解得到方程(1)、(2)、(3)以及折射率n、消光系数k以及散射源的等效介电常数ε_scanttering的常数系数；

步骤8、根据步骤4的方程、步骤5的方程以及步骤7的计算结果得到散射的消光系数k。

优选地，步骤7的反解过程中使用的评价函数为：

MSE是测量值与理论模型计算值的均方差，N为测量波长的数目，有M组测量值，T_i ^exp为i个波长的光谱透过率测量值，T_i ^mod为i个波长的光谱透过率计算值，σ_T,i ^exp别为i个波长的光谱透过率测量误差。

(三)有益效果

本发明从介电常数方程上建立了散射消光模型，重新构建了硫化锌材料的可见光到红外的介电常数模型，基于介电常数与透过率光谱的关系，在实验上通过测试出光谱透过率，从光谱透过率反向计算出散射消光系数。本发明可应用于不同制备工艺方法的多晶硫化锌材料散射消光系数的测试。

附图说明

图1为11.2mm热压硫化锌材料(HPZnS)的光谱透过率图；

图2为利用极子模型的光谱透过率拟合效果图；

图3为极子模型+散射介电常数模型的光谱透过率拟合效果图；

图4为极子模型+散射介电常数模型+振子散射模型的光谱透过率拟合效果图；

图5为全部散射消光系数色散图；

图6为散射消光系数色散图；

图7为本征消光系数色散图；

图8为振动消光系数色散图。

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。

本发明提供了一种通过光谱透过率反演计算获得散射消光系数的方法，具体包括以下步骤：

步骤1、定义硫化锌的短波吸收区的介电常数如下：

其中E为光子能量，A₁为短波极子的振幅，E₁为短波极子的中心频率，ε_∞为短波的高频介电常数。

步骤2、定义硫化锌的短波吸收区的介电常数：硫化锌的长波吸收区主要是晶格振动，每个晶格振动频率可以等效为一个振子，那么在有x个振子的情况下，长波振动区的介电常数ε和虚部ε_i表示如下：

方程(2)和(3)中，ω为波长对应的角频率，A_j为振子的振幅、ω_j为振子的宽度、γ_j为振子的宽度，P表示主值积分。

步骤3、多晶的散射来源于晶体边界、空隙等，其对折射率的贡献小，但是对广义消光系数的贡献较大。下面使用Cauchy模型表征内散射损耗，等效折射率与消光系数为：

n(ω)＝A+Bω² (4)

k(ω)＝A_kexp[B_k(ω-C_k)] (5)

那么散射源的等效介电常数可以使用下列公式：

方程(4)-(6)中，n为折射率，k为消光系数，A、B为折射率常数项，A_k、B_k和C_k为消光系数的常数项。

步骤4、硫化锌材料的介电常数表征如下：

步骤5、根据介电常数与折射率和消光系数的关系，用介电常数实部ε_r和虚部ε_i表示折射率n与消光系数k：

步骤6、对硫化锌样品进行双面抛光，表面粗糙度达到1nm以下；

步骤7、根据光学原理，物理厚度为d的平行平板光学材料，其光谱透过率是折射率n与消光系数k和物理厚度d的函数，即T(λ)＝f[n(λ),k(λ),d]，设置介电常数的参数为变量，利用光谱透过率反解得到方程(1)-(6)的常数系数。

在反解(拟合)过程中使用的评价函数为公式(9)所示：

MSE是测量值与理论模型计算值的均方差，N为测量波长的数目，M为变量个数，T_i ^exp为i个波长的测量值，T_i ^mod为i个波长的计算值，σ_T,i ^exp别为i个波长的测量误差。

步骤8、通过方程(7)和(8)即获得散射的消光系数k。

以下举例说明本发明的流程。

1)加工热压硫化锌(HPZnS,11.2mm)表面粗糙度达到1nm以下；

2)使用美国PE公司的红外傅里叶变换光谱仪，测试波长范围从2μm-14μm，入射角度为正入射，热压硫化锌(HP ZnS,11.2mm)和化学气相沉积硫化锌(CVD ZnS,6.8mm)的红外光谱透过率分别见附图1；

3)利用极子模型对长波红外透过率的极大值进行初步拟合，极子的振动位置在7.1471eV，振幅为52.748，光谱透过率拟合效果见附图2。在波数1100cm^-1-1300cm^-1的位置上，两种材料的光谱透过率计算值均高于实际测量值，由于没有考虑散射和吸收损耗，因此说明吸收和散射损耗的存在会导致透过率下降，在其它波数范围内的实测透过率均低于拟合计算值。

4)在极子模型的基础上，加入散射介电常数模型，对两种材料的光谱透过率进一步拟合，光谱透过率拟合效果见附图3，在高于2000cm^-1的高频波数下散射损耗是导致光学透过率下降的主导因素。

5)在极子模型和散射介电常数模型的基础上，加入长波本征振动吸收和杂质振动吸收的振子模型，分别对两种硫化锌材料的光学透过率进行最终的拟合(记为’Mod’-third)。对于热压硫化锌材料，振子中心频率分别为3253.9cm^-1、1534.3cm^-1、1367.6cm^-1、902.5cm^-1、925.12cm^-1、822.07cm^-1和800.94cm^-1，其中前三个振动吸收区为材料的杂质振动吸收区中心频率，其余为本征振动吸收区中心频率。

6)在所有模型都加上以后，对光谱进行最终的系统拟合，拟合结果见附图4，从拟合效果来看，理论计算值和实际测量值吻合程度好，总的消光系数见图5。

通过方程分别计算出散射消光系数见图6，本征消光系数见图7，振动消光系数见图8。

热压硫化锌的消光系数色散分离曲线中，从短波拓展到长波的消光系数量级为1×10^-8，散射消光系数在1×10^-6，振动吸收的消光系数在长波达到1×10^-4量级，因此，将整个长波红外分为三个区域：在2μm-6μm和7.5μm-9μm两个区间内，散射损耗占主导地位，在9μm以后则是晶格振动吸收占主导地位。因此可以证明，如果消除散射损耗的根源，那么在<10μm的区间内光谱透过率将得到较大的提升，在10μm以上的损耗是以振动吸收为主。

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 (2)

1.一种硫化锌材料短波长散射消光系数的表征方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、定义硫化锌的短波吸收区的介电常数为：

其中，E为光子能量，A₁为短波极子的振幅，E₁为短波极子的中心频率，ε_∞为短波的高频介电常数；

步骤2、将硫化锌的长波吸收区的每个晶格振动频率等效为一个振子，在有x个振子的情况下，长波吸收区的介电常数ε_vabrition和介电常数虚部ε_i表示如下：

其中，ω为波长对应的角频率，A_j为振子的振幅、ω_j为振子的宽度、γ_j为振子的宽度，P表示主值积分；

步骤3、使用Cauchy模型表征多晶的内散射损耗，得到散射源的等效介电常数ε_scanttering；使用Cauchy模型表征内散射损耗，等效折射率与消光系数为：

n(ω)＝A+Bω² (4)

k(ω)＝A_kexp[B_k(ω-C_k)] (5)

那么散射源的等效介电常数使用下列公式计算：

方程(4)-(6)中，n为折射率，k为消光系数，A、B为折射率常数项，A_k、B_k和C_k为消光系数的常数项；

步骤4、将硫化锌材料的介电常数表征为：

步骤5、根据介电常数与折射率和消光系数的关系，用介电常数实部ε_r和虚部ε_i表示折射率n与消光系数k；

步骤6、对硫化锌样品进行双面抛光，使得表面粗糙度达到1nm以下；

步骤7、根据光学原理，物理厚度为d的平行平板光学材料，其光谱透过率是折射率n与消光系数k和物理厚度d的函数，设置介电常数的参数为变量，利用光谱透过率反解得到方程(1)、(2)、(3)以及折射率n、消光系数k以及散射源的等效介电常数ε_scanttering的常数系数；

步骤8、根据步骤4的方程、步骤5的方程以及步骤7的计算结果得到散射的消光系数k。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤7的反解过程中使用的评价函数为：

MSE是测量值与理论模型计算值的均方差，N为测量波长的数目，有M组测量值，T_i ^exp为i个波长的光谱透过率测量值，T_i ^mod为i个波长的光谱透过率计算值，σ_T,i ^exp别为i个波长的光谱透过率测量误差。