CN108548658B - 一种单层膜光学元件应力和光学损耗同时测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单层膜光学元件应力和光学损耗同时测量的方法，其中：进入到光学谐振腔的一束线偏振激光，受到腔内垂直于激光束放置的待测光学元件应力双折射效应的调制后从谐振腔内出射。出射光经四分之一波片和偏振棱镜组成的偏振态检测装置后分成两束线偏振光，分别被聚焦透镜聚焦后由两个光电探测器探测，其中，两个光电探测器的增益比已经标定。关断入射激光束，由两个光电探测器采集得到两组光腔衰荡信号。将其中任意一组衰荡信号拟合或者两组同时拟合处理得到光学元件的应力双折射相位差和光学损耗值；或者将两组信号统一增益相加拟合得到光学损耗值。本发明提出的技术方案优点在于：系统结构简单，测量精度高，可同时测量单层膜光学元件的残余应力和光学损耗。

Description

一种单层膜光学元件应力和光学损耗同时测量的方法

技术领域

本发明涉及光学薄膜元件参数测量技术领域，特别涉及一种单层膜光学元件残余应力和光学损耗同时测量的方法。

背景技术

在光学多层膜的设计制造过程中，首先需要通过镀制单层膜对镀膜工艺进行评估和验证。评估的重要参数如折射率、消光系数、膜层厚度、残余应力和光学损耗等。其中，单层膜残余应力评估关乎多层膜的镀制可靠性，若单层膜存在较强的残余应力，不仅影响基于单层膜制备参数镀制的多层膜的电磁、机械性能，甚至导致膜层的剥落、脱离。常用的单层膜元件膜层应力测量方法有基于Stoney公式的应变测量法和基于应力双折射效应的方法。另外，光学损耗(包括吸收损耗和散射损耗)是表征薄膜光谱特性的重要参数，特别是在高功率激光薄膜中，光学损耗直接影响薄膜激光损伤阈值的大小。

2003年，安兵等(安兵,张同俊,袁超,等.用基片曲率法测量薄膜应力[J].材料保护,2003,36(7):13-15)使用表面应变测量法测量了硅基片表面铜单层膜的残余应力。2015年，一种光学薄膜应力的测试装置及测试方法(中国专利申请公布号CN 104634760A)基于镀膜前后表面应变以及Stoney公式，利用表面声波在基底正背面形成的衍射光栅导致的透射光光强变化来检测表面曲率的改变，进而计算光学薄膜的应力。2015年，一种光学材料应力测量系统(中国专利申请公布号CN 105043612A)提出了一种利用半外腔激光器的输出偏振态受到光学材料应力双折射调制后的反馈光影响而发生偏振态跳变的现象进行应力双折射测量的方案。

就光学损耗测量，目前，激光量热法是光学元件吸收损耗测量的国际标准(ISO11551)，角分辨散射法是散射损耗测量的标准(ISO/WD 19968)方法，光腔衰荡法是光学损耗测量的国际标准(ISO 13142)。在光学吸收损耗较大时也可采用椭偏光谱法或分光光度法测量。此外，2007年，一种测量光学薄膜吸收损耗的方法(中国专利申请公布号CN101082537A)，利用光学薄膜元件反射或透射光谱随温度变化而发生漂移的现象，用光电探测器监测加热激光束照射过程中薄膜元件反射或透射的探测光强度的实时变化监视薄膜元件吸收损耗，并通过对信号振幅定标实现吸收损耗的绝对测量。2017年，一种同时测量高反射/高透射光学元件的反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗的方法(中国专利申请公布号CN107132029A)使用光腔衰荡技术同时测量了光学薄膜的光学损耗。

综上所述，单层膜光学元件的应力和光学损耗需要通过不同的测量方法和仪器分别测量，系统复杂，过程繁琐，且无法实现光学元件同一点的多参数测量，给光学元件的性能准确评估带来不确定因素。本发明提出的一种单层膜光学元件应力和光学损耗同时测量方法能很好地解决这个问题，具有测量系统结构简单，对样品无损伤，易调节，不受光源强度波动影响等优点，为光学薄膜元件参数测量技术领域提供了一种优良解决方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：如何通过简单可靠的方法对单层膜光学元件应力和光学损耗进行无损检测，特别是同时、高精度地测量单层膜光学元件的应力和光学损耗。

为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：一种单层膜光学元件应力和光学损耗同时测量的方法，其特征在于：

(1)实现所述方法的测量装置由激光光源(1)，起偏器(2)，平凹高反射腔镜(3)和(5)，四分之一波片(6)，偏振棱镜(7)，聚焦透镜(8)和(9)，光电探测器(10)和(11)，信号采集处理计算机(12)；阈值电路(13)、声光调制器(14)和光阑(15)组合形成光开关用于关断谐振腔入射激光束；激光光源(1)发出的一束激光经过起偏器(2)后形成一束方位角确定的线偏振光并垂直入射到光学谐振腔中，所述光学谐振腔由两块相同的平凹高反射腔镜(3)和(5)构成稳定的直腔；耦合进入光学谐振腔的偏振激光束在腔内来回反射传输，并受到腔内垂直激光束放置的待测光学元件(4)应力双折射的调制，导致激光能量在S偏振和P偏振之间转化；激光束在谐振腔内来回反射传输的过程中，一部分激光能量通过平凹高反射腔镜(5)透射并入射到由四分之一波片(6)和偏振棱镜(7)组成的偏振态检测装置；透过偏振棱镜(7)的激光束被分解成两束方位角正交的线偏振光束，分别被聚焦透镜(8)和(9)聚焦并由光电探测器(10)和(11)探测；关断入射激光，同时由信号采集处理计算机(12)通过探测器(10)采集得到谐振腔衰荡信号Ss，通过探测器(11)采集得到谐振腔衰荡信号Sp。使用非线性多参数拟合方法，将衰荡信号Ss或Sp按公式

分别进行拟合；或者，将衰荡信号Ss和Sp按公式

进行同时拟合，可得到应力双折射导致的偏振态振荡频率ω和衰荡时间τ，则应力双折射光程差OPD可表示为

其中，待拟合参数有六个，A是振幅，τ是衰荡时间，m是调制系数，ω是调制角频率，Φ是初相位，B是直流偏置，t是时间变量；其中，λ为激光光源1的激光波长，c为真空光速；L为测试谐振腔腔长，通过公式L＝L₀+(n-1)d计算；其中，L₀为初始腔长，n为待测光学元件折射率，d为光学元件厚度；通过查阅光学材料的应力-光学常数C和应力-光学公式σ＝C×OPD即可计算得到光学元件的应力σ。或者，根据光电探测器(10)和(11)的增益比将光电探测器(10)和(11)的信号Ss和Sp统一增益求和得到和衰荡信号S，将和衰荡信号S按公式

进行拟合，得到衰荡时间τ；其中，待拟合参数有三个，A为振幅，τ是衰荡时间，B是直流偏置，t是时间变量；使用相同的方法，移除光学元件，得到空腔衰荡和信号S₀，并将和衰荡信号S₀按公式

进行拟合，得到空腔衰荡时间τ₀，则可以计算得到光学元件测量点处的光学损耗

(2)所述的激光光源1输出的激光光束为TEM₀₀模光束。

(3)所述的起偏器(2)的透光轴可根据测试需要调节，使得经起偏器(2)出射的线偏振光方位角按测试需要设置在0到180度之间的任意确定角度。

(4)所述的由平凹高反射腔镜(3)和(5)构成的光学谐振腔为稳定腔，初始谐振腔腔长L₀满足0<L₀≤2r，其中r为平凹高反射镜凹面的曲率半径。

(5)所述的平凹高反射腔镜(3)和(5)的反射率高于99.5％。

(6)所述的四分之一波片(6)的快轴角度可根据测试需要调节，使得四分之一波片(6)的快轴方位角按测试需要设置在0到180度之间的任意确定角度。

(7)所述光学元件为平行平面光学元件，光学元件前后表面反射光不溢出光学谐振腔。

(8)所述的技术方案中，为方便关断入射到谐振腔内的激光束，可使用阈值触发电路和电光调制器或者声光调制器组合成光开关来关断入射激光束；或者采用调制激光器，周期性地关断激光光源。

(9)所述的光电探测器(10)和(11)的增益比已经标定，即在相同的入射光强下，光电探测器(10)和(11)的输出电压之比是确定并已知的。

(10)所述单层膜光学元件具有较低的光学损耗，在检测光波长处的光学损耗小于1％。

附图说明

图1为本发明所述技术方案的实施示意图。

图2是由光电探测器(10)和光电探测器(11)采集得到的初始腔衰荡信号Ss₀和Sp₀在统一增益求和后得到的和衰荡信号S₀、拟合和残差。

图3是在谐振腔内加入单层膜光学元件样品，由光电探测器(11)采集得到的衰荡信号Sp₁、拟合和残差。图4是由光电探测器(10)和光电探测器(11)采集得到的测试腔衰荡信号Ss₁和Sp₁在统一增益求和后得到的和衰荡信号S、拟合和残差。

图1中：(1)为He-Ne激光器；(2)为起偏器；(3)和(5)为平凹高反射腔镜；(4)为待测单层膜光学元件；(6)为四分之一波片；(7)为偏振棱镜；(8)和(9)为聚焦透镜；(10)和(11)为光电探测器；(12)为数据采集和处理计算机；(13)为阈值触发电路；(14)为声光调制器；(15)为光阑。图中的实线为光路，虚线为信号线。

具体实施方式

下面结合图1具体描述本发明提出的一种单层膜光学元件应力和光学损耗同时测量的方法，然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。具体的实施步骤如下：

(1)搭建初始光腔衰荡系统。将图1所示的xyz坐标系定义为实验坐标系，即实验中以此为参考坐标系，其中xz方向在纸面内，y方向为垂直纸面射出方向。

a.调整激光光源(1)和声光调制器(14)，使得声光调制器出射光束沿实验坐标系z方向射出，并通过光阑(15)垂直入射到起偏器(2)中。

b.旋转起偏器(2)，使得从起偏器(2)出射的线偏振光方位角为45度。

c.将四分之一波片(6)插入到光路中，旋转四分之一波片(6)使得其快轴方位角为0度。

d.插入偏振棱镜(7)，旋转偏振棱镜(7)使得两束方位角正交线偏振光处在同一水平面上，分别调整聚焦透镜(8)和聚焦透镜(9)使得聚焦透镜很好地会聚偏振棱镜(7)出射的两束光。

e.插入平凹高反射腔镜(5)，调整平凹高反射腔镜(5)使得光入射在镜中心，并且使得平凹高反射腔镜(5)的反射光与入射光束重合；连接光电探测器(10)和(11)到信号采集和处理计算机(12)上，调整光电探测器(10)和(11)位置，使得光电探测器(10)和(11)信号最大，此时，光电探测器(10)和(11)的光敏面分别处在聚焦透镜(8)和(9)的焦点处并收集所有的入射光。

f.插入平凹高反射腔镜(3)，构成初始谐振腔，调整谐振腔腔长为L₀，此时，可从计算机(12)上观察到初始谐振腔的谐振信号。

g.设定阈值触发电路(13)的阈值为V₀，当探测器(11)输出电压信号大于V₀时，阈值触发电路(13)发送触发信号至声光调制器(14)和计算机(12)；此时，声光调制器(14)关闭，激光束被光阑(15)遮挡，计算机(12)分别通过光电探测器(10)和(11)采集得到初始谐振腔信号Ss₀和Sp₀。根据光电探测器10和11的增益比，求得初始腔衰荡信号Ss₀和Sp₀的和信号S₀，按单指数模型公式

拟合衰荡信号S₀，得到初始腔衰荡时间τ₀。

(2)待测样品应力和光学损耗测量。将待测样品(4)插入到由平凹高反射腔镜(3)和(5)构成的谐振腔内，调整样品(4)，使得样品(4)表面平行xy平面也即是保证激光垂直入射到样品(4)上。

a.设定阈值触发电路(13)的阈值为V₁，当探测器(11)输出电压信号大于V₁时，阈值触发电路(13)发送触发信号至声光调制器(14)和计算机(12)；此时，声光调制器(14)关闭，激光束被光阑(15)遮挡，计算机(12)分别通过光电探测器(10)和(11)采集得到衰荡信号Ss₁和Sp₁。将衰荡信号Ss₁或Sp₁按公式

进行拟合；或者将衰荡信号Ss₁和Sp₁按公式

进行同时拟合，可得到应力双折射导致的偏振态振荡频率ω和衰荡时间τ₁，则应力双折射光程差OPD可表示为

其中，λ为激光光源(1)波长，c为真空光速，L为测试谐振腔腔长，通过公式L＝L₀+(n-1)d计算；其中，L₀为初始谐振腔腔长，n为待测光学元件折射率，d为光学元件厚度。通过查阅光学材料的应力-光学常数C和应力-光学公式σ＝C×OPD即可求得测量点的应力σ的大小。或者，根据光电探测器(10)和(11)的增益比，将衰荡信号Ss₁和Sp₁统一增益求和得和衰荡信号S，按单指数模型公式

拟合衰荡信号S，得到测试腔衰荡时间τ₁，计算得到光学元件测量点处的光学损耗

下面给出本发明检测装置的具体实施例，具体实施例仅用于详细说明本发明，并不限制本申请权利要求的保护范围。

实例1

本发明实例1中的待测样品是直径25.4mm、厚度2mm的熔石英基片，表面镀制单层Ta₂O₅膜。

图2是由光电探测器(10)和光电探测器(11)采集得到的初始腔衰荡信号Ss₀和Sp₀在统一增益求和后得到的和衰荡信号S₀、拟合和残差。其中，图2中使用黑色“o”表示和衰荡信号S₀振幅；使用带“×”褐色实线表示按单指数模型公式

拟合得到的衰荡信号振幅；使用灰色实线表示衰荡信号拟合残差。初始腔腔长L₀＝0.201米，拟合得到初始腔衰荡时间为τ₀＝13.067μs。

图3是在谐振腔内加入样品，由光电探测器(11)采集得到的衰荡信号Sp₁、拟合和残差。其中，图3中使用黑色“o”表示采集得到的衰荡信号振幅；使用带“×”褐色实线表示按公式

拟合得到的衰荡信号振幅；使用灰色实线表示衰荡信号拟合残差。通过拟合计算得到应力双折射OPD＝0.1901nm。

图4是由光电探测器(10)和光电探测器(11)采集得到的测试衰荡信号Ss₁和Sp₁在统一增益求和后得到的和衰荡信号S、拟合和残差。其中，图4中使用黑色“o”表示和衰荡信号S振幅；使用带“×”褐色实线表示按单指数模型公式

拟合得到的衰荡信号振幅；使用灰色实线表示衰荡信号拟合残差。测试腔长L＝0.202米，拟合得到测试腔衰荡时间为τ₁＝4.764μs，计算得到单层膜光学元件测量点处的光学损耗ol＝90.064ppm。

Claims (10)

1.一种单层膜光学元件应力和光学损耗同时测量的方法，其特征在于：实现所述方法的测量装置由激光光源(1)，起偏器(2)，第一平凹高反射腔镜(3)和第二平凹高反射腔镜(5)，待测单层膜光学元件(4)，四分之一波片(6)，偏振棱镜(7)，第一聚焦透镜(8)和第二聚焦透镜(9)，第一光电探测器(10)和第二光电探测器(11)，信号采集处理计算机(12)构成；阈值电路(13)、声光调制器(14)和光阑(15)组合形成光开关用于关断谐振腔入射激光束；激光光源(1)发出的一束激光经过起偏器(2)后形成一束方位角确定的线偏振光并垂直入射到光学谐振腔中，所述的光学谐振腔由第一平凹高反射腔镜(3)和第二平凹高反射腔镜(5)构成稳定的直腔；耦合进入光学谐振腔的偏振激光束在腔内来回反射传输，并受到腔内垂直激光束放置的待测单层膜光学元件(4)应力双折射的调制，导致激光能量在S偏振和P偏振之间转化；激光束在谐振腔内来回反射传输的过程中，一部分激光能量通过第二平凹高反射腔镜(5)透射并入射到由四分之一波片(6)和偏振棱镜(7)组成的偏振态检测装置；透过偏振棱镜(7)的激光束被分解成两束方位角正交的线偏振光束，分别被第一聚焦透镜(8)和第二聚焦透镜(9)聚焦，第一聚焦透镜(8)聚焦激光束由第一光电探测器(10)探测，第二聚焦透镜(9)聚焦激光束由第二光电探测器(11)探测；光开关适时地关断入射激光束，同时由信号采集处理计算机(12)通过第一光电探测器(10)采集得到谐振腔衰荡信号Ss，通过第二光电探测器(11)采集得到谐振腔衰荡信号Sp；将采集的衰荡信号Ss，或者衰荡信号Sp进行应力模型拟合获得表征应力的双折射相位差和光学损耗；或者，将衰荡信号Ss和衰荡信号Sp同时进行应力模型拟合获得表征应力的双折射相位差和光学损耗；或者，根据第一光电探测器(10)和第二光电探测器(11)的增益比将所述的信号Ss和Sp统一增益求和得到和衰荡信号S，将和衰荡信号S进行单指数模型拟合获得待测单层膜光学元件(4)的光学损耗。

2.根据权利要求1所述的一种单层膜光学元件应力和光学损耗同时测量的方法，其特征在于：所述的激光光源(1)输出的激光光束为TEM₀₀模光束。

3.根据权利要求1所述的一种单层膜光学元件应力和光学损耗同时测量的方法，其特征在于：所述的起偏器(2)的透光轴可根据测试需要调节，使得经起偏器(2)出射的线偏振光方位角按测试需要设置在0到180度之间的任意确定角度。

4.根据权利要求1所述的一种单层膜光学元件应力和光学损耗同时测量的方法，其特征在于：由第一平凹高反射腔镜(3)和第二平凹高反射腔镜(5)构成的所述的光学谐振腔为稳定腔，谐振腔腔长L₀满足0<L₀≤2r，其中r为第一平凹高反射腔镜(3)和第二平凹高反射腔镜(5)凹面的曲率半径。

5.根据权利要求1所述的一种单层膜光学元件应力和光学损耗同时测量的方法，其特征在于：所述的第一平凹高反射腔镜(3)的反射率和第二平凹高反射腔镜(5)的反射率高于99.5％。

6.根据权利要求1所述的一种单层膜光学元件应力和光学损耗同时测量的方法，其特征在于：所述的四分之一波片(6)的快轴角度可根据测试需要调节，使得四分之一波片(6)的快轴方位角按测试需要设置在0到180度之间的任意确定角度。

7.根据权利要求1所述的一种单层膜光学元件应力和光学损耗同时测量的方法，其特征在于：所述的待测单层膜光学元件(4)为平行平面光学元件，待测单层膜光学元件(4)前后表面反射光不溢出光学谐振腔。

8.根据权利要求1所述的一种单层膜光学元件应力和光学损耗同时测量的方法，其特征在于：所述的待测单层膜光学元件(4)具有较低的光学损耗，在检测光波长处的光学损耗小于1％。

9.根据权利要求1所述的一种单层膜光学元件应力和光学损耗同时测量的方法，其特征在于：由阈值电路(13)、声光调制器(14)和光阑(15)组合构成的所述的光开关只在使用非调制激光光源时是需要的；若使用调制激光光源，则可使用方波调制激光光源，在方波的下降沿处激光光源关断。

10.根据权利要求1所述的一种单层膜光学元件应力和光学损耗同时测量的方法，其特征在于：所述的第一光电探测器(10)和第二光电探测器(11)的增益比已经标定，即在相同的入射光强下，第一光电探测器(10)和第二光电探测器(11)的输出电压之比是确定并已知的。

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