CN111536885A - 一种双入射角度式太赫兹时域光谱涂层测量方法 - Google Patents

一种双入射角度式太赫兹时域光谱涂层测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双入射角度式太赫兹时域光谱涂层测量方法，具体包括以下步骤：S1、在反射式太赫兹时域光谱系统中，分别测量太赫兹波以不同角度θ1和θ2入射时样品的太赫兹信号，并根据测得的样品信号获取由涂层两个界面反射回来的太赫兹脉冲的飞行时间差Δt1和Δt2，S2、计算被测涂层样品的涂层厚度与折射率，本发明涉及涂层测量技术领域。该双入射角度式太赫兹时域光谱涂层测量方法，可实现通过利用反射式太赫兹时域光谱系统，测量太赫兹波以两个不同角度入射被测涂层样本时的反射信号，获取两反射信号中相邻反射脉冲之间的飞行时间差，根据飞行时间原理计算出涂层厚度和折射率，本发明可以同时测量涂层的厚度和折射率。

Description

一种双入射角度式太赫兹时域光谱涂层测量方法
技术领域
本发明涉及涂层测量技术领域，具体为一种双入射角度式太赫兹时域光谱涂层测量方法。
背景技术
目前工业生产中常用的涂层测厚方法主要包括涡流法、磁性法、超声法、X射线法和楔切法等，楔切法是一种破坏性测量方法，并且测量范围有限；基于涡流效应、电磁感应原理制成的涂层测厚仪皆属于接触式测量仪器，难以实现在线测量，且要求基底具有导电性，导致此类方法的使用范围受到限制，借助超声测厚仪可以对涂层进行无损评估，但由于超声波本身的衰减特性，该类仪器的精度较低，借助X射线可以对涂层进行非接触式测量，但X射线对人体的损害较大，需要操作人员做好防护措施，且X射线设备制造成本较高，操作亦较为复杂。
太赫兹波(Terahertz Wave,THz,1THz＝1012Hz)一般指频率范围在0.1-10THz之间(即波长范围在30μm-3mm)的电磁波，相比于可见光与红外辐射，太赫兹波的波长更长，对一般的涂层材料或者复合材料等非极性材料具有较强的穿透性，利用太赫兹波的传播特性可以对许多非极性材料进行检测，实现无损、非接触式测量。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种双入射角度式太赫兹时域光谱涂层测量方法，可以同时测量单层涂层的厚度和折射率，很好的实现了无损非接触式测量涂层。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种双入射角度式太赫兹时域光谱涂层测量方法，具体包括以下步骤：
S1、在反射式太赫兹时域光谱系统中，分别测量太赫兹波以不同角度θ1和θ2入射时样品的太赫兹信号，并根据测得的样品信号获取由涂层两个界面反射回来的太赫兹脉冲的飞行时间差Δt1和Δt2；
S2、根据步骤S1分别得到的θ1、θ2以及反射峰的飞行时间差Δt1和Δt2，计算被测涂层样品的涂层厚度与折射率，涂层厚度采用如下计算公式进行计算：
Figure BDA0002520209460000021
涂层折射率采用如下计算公式进行计算：
Figure BDA0002520209460000022
其中，d为涂层的厚度，n为涂层的折射率，n0为太赫兹波在空气中的折射率，c为真空中的光速。
优选的，所述步骤S1中Δt1为太赫兹波以θ1角度入射时由空气、涂层界面及涂层、衬底界面反射的两个太赫兹脉冲的飞行时间差。
优选的，所述步骤S1中Δt2为太赫兹波以θ2角度入射时由空气、涂层界面及涂层、衬底界面反射的两个太赫兹脉冲的飞行时间差。
本发明还公开了一种反射式太赫兹时域光谱系统，包括脉冲驱动系统、太赫兹信号入射系统、太赫兹信号接收检测系统、测量台和计算机，所述脉冲驱动系统包括飞秒激光器、分束器和延迟装置，且太赫兹信号入射系统包括发射天线、第一入射透镜、第二入射透镜和直流偏置装置，所述太赫兹信号接收检测系统包括第一接收透镜、第二接收透镜、接收天线和锁相放大器，且测量台包括旋转台、第一旋转臂、第二旋转臂和样品台。
优选的，所述样品台位于旋转台中心处，且样品台用于放置被测涂层样品。
优选的，所述飞秒激光器用于产生飞秒激光脉冲，其所产生的激光脉冲中心波长为1560nm，脉冲频率为100MHz，脉冲宽度小于90飞秒，功率大于100mW。
优选的，所述第一旋转臂和第二旋转臂安装在旋转台上，且第一旋转臂和第二旋转臂相啮合，当所述第一旋转臂围绕旋转台7中心摆动时，第二旋转臂围绕旋转台中心以相反的方向摆动。
优选的，所述发射天线、第一入射透镜和第二入射透镜均设置于第一旋转臂上，且发射天线、第一入射透镜和第二入射透镜能够随第一旋转臂摆动，从而实现调整太赫兹信号的入射角度。
优选的，所述第一接收透镜、第二接收透镜和接收天线均设置于第二旋转臂上，且第一接收透镜、第二接收透镜和接收天线能够随第二旋转臂摆动，从而当太赫兹信号的入射角度调整时，接收天线接收反射的太赫兹信号的角度能够做出相应的调整。
(三)有益效果
本发明提供了一种双入射角度式太赫兹时域光谱涂层测量方法。与现有技术相比具备以下有益效果：该双入射角度式太赫兹时域光谱涂层测量方法，具体包括以下步骤：S1、在反射式太赫兹时域光谱系统中，分别测量太赫兹波以不同角度θ1和θ2入射时样品的太赫兹信号，并根据测得的样品信号获取由涂层两个界面反射回来的太赫兹脉冲的飞行时间差Δt1和Δt2，S2、根据步骤S1分别得到的θ1、θ2以及反射峰的飞行时间差Δt1和Δt2，计算被测涂层样品的涂层厚度与折射率，可实现通过利用反射式太赫兹时域光谱系统，测量太赫兹波以两个不同角度入射被测涂层样本时的反射信号，获取两反射信号中相邻反射脉冲之间的飞行时间差，根据飞行时间原理计算出涂层厚度和折射率，本发明可以同时测量涂层的厚度和折射率，很好的实现了无损非接触式测量涂层。
附图说明
图1为本发明太赫兹信号在涂层样品中传播的光路示意图。
图2为本发明涂层样品太赫兹信号中的反射脉冲示意图；
图3为本发明实例反射式太赫兹时域光谱系统的结构示意图。
图中，1飞秒激光器、2分束器、3发射天线、4第一入射透镜、5第二入射透镜、6样品台、7旋转台、8第一接收透镜、9第二接收透镜、10接收天线、11延迟装置、12锁相放大器、13计算机、14第一旋转臂、15第二旋转臂、16直流偏置装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
太赫兹波以一定角度入射涂层样品时，在涂层与空气界面、涂层与衬底界面发生反射，如图1所示，E0是入射的太赫兹信号，Er1是空气和涂层之间的界面所反射的太赫兹信号，Er2是涂层和衬底之间的界面所反射的太赫兹信号。Er1与Er2的光程不同，二者之间存在飞行时间差Δt，对应时域上不同位置的反射脉冲，如图2所示，空气、涂层的折射率分别为n0、n，涂层厚度为d，太赫兹信号的入射角为θ0，在涂层与空气界面的折射角为θ0′，则Er1和Er2在空气中的光程差Δl1＝2dtanθ0′sinθ0，Er1和Er2在涂层中的光程差
Figure BDA0002520209460000041
Er1和Er2在空气中的光程差对应的飞行时间为
Figure BDA0002520209460000051
Er1和Er2在涂层1中的光程差对应的飞行时间为
Figure BDA0002520209460000052
Er1和Er2总的飞行时间差
Figure BDA0002520209460000053
又根据斯涅尔定律有：nsinθ0′＝n0sinθ0，将上述
Figure BDA0002520209460000054
以及斯涅尔定律代入上述Δt并简化后得到：
Figure BDA0002520209460000055
即：
Figure BDA0002520209460000056
其中c为真空中的光速，Δt为相邻反射峰之间的飞行时间差。
对于两个不同入射角θ1和θ2测得的相邻反射峰之间的飞行时间差分别为Δt1和Δt2，根据前述公式有：
Figure BDA0002520209460000057
和
Figure BDA0002520209460000058
两式消去n可以得到不包含折射率的涂层厚度计算公式：
Figure BDA0002520209460000059
相应的折射率计算公式为：
Figure BDA00025202094600000510
其中，n0为光在空气中的折射率，c为真空中的光速。
太赫兹波以两个不同的θ1和θ2角度入射被测涂层样本时，通过反射式太赫兹时域光谱系统获得相邻反射峰之间的飞行时间差分别为Δt1和Δt2，即可根据上述公式计算出涂层厚度和折射率。
请参阅图1-3，本发明实施例提供一种技术方案：一种双入射角度式太赫兹时域光谱涂层测量方法，具体包括以下步骤：
S1、在反射式太赫兹时域光谱系统中，分别测量太赫兹波以不同角度θ1和θ2入射时样品的太赫兹信号，并根据测得的样品信号获取由涂层两个界面反射回来的太赫兹脉冲的飞行时间差Δt1和Δt2，Δt1为太赫兹波以θ1角度入射时由空气、涂层界面及涂层、衬底界面反射的两个太赫兹脉冲的飞行时间差，Δt2为太赫兹波以θ2角度入射时由空气、涂层界面及涂层、衬底界面反射的两个太赫兹脉冲的飞行时间差；
S2、根据步骤S1分别得到的θ1、θ2以及反射峰的飞行时间差Δt1和Δt2，计算被测涂层样品的涂层厚度与折射率，涂层厚度采用如下计算公式进行计算：
Figure BDA0002520209460000061
涂层折射率采用如下计算公式进行计算：
Figure BDA0002520209460000062
其中，d为涂层的厚度，n为涂层的折射率，n0为太赫兹波在空气中的折射率，c为真空中的光速。
如图3所示，本发明还公开了一种反射式太赫兹时域光谱系统，包括脉冲驱动系统、太赫兹信号入射系统、太赫兹信号接收检测系统、测量台和计算机13，脉冲驱动系统包括飞秒激光器1、分束器2和延迟装置11，且太赫兹信号入射系统包括发射天线3、第一入射透镜4、第二入射透镜5和直流偏置装置16，太赫兹信号接收检测系统包括第一接收透镜8、第二接收透镜9、接收天线10和锁相放大器12，且测量台包括旋转台7、第一旋转臂14、第二旋转臂15和样品台6，样品台6位于旋转台7中心处，且样品台6用于放置被测涂层样品，飞秒激光器1用于产生飞秒激光脉冲，其所产生的激光脉冲中心波长为1560nm，脉冲频率为100MHz，脉冲宽度小于90飞秒，功率大于100mW，第一旋转臂14和第二旋转臂15安装在旋转台7上，且第一旋转臂14和第二旋转臂15相啮合，当第一旋转臂14围绕旋转台7中心摆动时，第二旋转臂15围绕旋转台7中心以相反的方向摆动，发射天线3、第一入射透镜4和第二入射透镜5均设置于第一旋转臂14上，且发射天线3、第一入射透镜4和第二入射透镜5能够随第一旋转臂14摆动，从而实现调整太赫兹信号的入射角度，第一接收透镜8、第二接收透镜9和接收天线10均设置于第二旋转臂15上，且第一接收透镜8、第二接收透镜9和接收天线10能够随第二旋转臂15摆动，从而当太赫兹信号的入射角度调整时，接收天线10接收反射的太赫兹信号的角度能够做出相应的调整。
飞秒激光器1发出的飞秒激光脉冲A经分束器2分成两束：探测光B和泵浦光C，发射天线3在直流偏置装置16的直流偏置下，当泵浦光C入射到发射天线3时产生相应的太赫兹脉冲，发射天线3所产生的太赫兹脉冲经第一入射透镜4和第二入射透镜5的聚焦，照射在样品台6上设置的被测涂层样品上，被测涂层样品反射的太赫兹信号被第一接收透镜8和第二接收透镜9聚焦至接收天线10上，探测光B经延迟装置11同步到达接收天线10，从而探测被测涂层样品所反射的太赫兹信号，接收天线10所探测到的信号经锁相放大器12进行信号放大后，输入计算机13，此外，计算机13连接旋转台7，由此计算机13可以通过控制旋转台7上的第一旋转臂14和第二旋转臂15的摆动角度，从而控制太赫兹信号对被测涂层样品的入射角度。
综上，本发明可实现通过利用反射式太赫兹时域光谱系统，测量太赫兹波以两个不同角度入射被测涂层样本时的反射信号，获取两反射信号中相邻反射脉冲之间的飞行时间差，根据飞行时间原理计算出涂层厚度和折射率，本发明可以同时测量涂层的厚度和折射率，很好的实现了无损非接触式测量涂层。
同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种双入射角度式太赫兹时域光谱涂层测量方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1、在反射式太赫兹时域光谱系统中，分别测量太赫兹波以不同角度θ1和θ2入射时样品的太赫兹信号，并根据测得的样品信号获取由涂层两个界面反射回来的太赫兹脉冲的飞行时间差Δt1和Δt2；
S2、根据步骤S1分别得到的θ1、θ2以及反射峰的飞行时间差Δt1和Δt2，计算被测涂层样品的涂层厚度与折射率，涂层厚度采用如下计算公式进行计算：
Figure FDA0002520209450000011
涂层折射率采用如下计算公式进行计算：
Figure FDA0002520209450000012
其中，d为涂层的厚度，n为涂层的折射率，n0为太赫兹波在空气中的折射率，c为真空中的光速。
2.根据权利要求1所述的一种双入射角度式太赫兹时域光谱涂层测量方法，其特征在于：所述步骤S1中Δt1为太赫兹波以θ1角度入射时由空气、涂层界面及涂层、衬底界面反射的两个太赫兹脉冲的飞行时间差。
3.根据权利要求1所述的一种双入射角度式太赫兹时域光谱涂层测量方法，其特征在于：所述步骤S1中Δt2为太赫兹波以θ2角度入射时由空气、涂层界面及涂层、衬底界面反射的两个太赫兹脉冲的飞行时间差。
4.一种根据权利要求1-3任意一项所述的双入射角度式太赫兹时域光谱涂层测量方法所设计的反射式太赫兹时域光谱系统，其特征在于：包括脉冲驱动系统、太赫兹信号入射系统、太赫兹信号接收检测系统、测量台和计算机(13)，所述脉冲驱动系统包括飞秒激光器(1)、分束器(2)和延迟装置(11)，且太赫兹信号入射系统包括发射天线(3)、第一入射透镜(4)、第二入射透镜(5)和直流偏置装置(16)，所述太赫兹信号接收检测系统包括第一接收透镜(8)、第二接收透镜(9)、接收天线(10)和锁相放大器(12)，且测量台包括旋转台(7)、第一旋转臂(14)、第二旋转臂(15)和样品台(6)。
5.根据权利要求4所述的一种双入射角度式太赫兹时域光谱涂层测量方法，其特征在于：所述样品台(6)位于旋转台(7)中心处，且样品台(6)用于放置被测涂层样品。
6.根据权利要求4所述的一种双入射角度式太赫兹时域光谱涂层测量方法，其特征在于：所述飞秒激光器(1)用于产生飞秒激光脉冲，其所产生的激光脉冲中心波长为1560nm，脉冲频率为100MHz，脉冲宽度小于90飞秒，功率大于100mW。
7.根据权利要求4所述的一种双入射角度式太赫兹时域光谱涂层测量方法，其特征在于：所述第一旋转臂(14)和第二旋转臂(15)安装在旋转台(7)上，且第一旋转臂(14)和第二旋转臂(15)相啮合，当所述第一旋转臂(14)围绕旋转台7中心摆动时，第二旋转臂(15)围绕旋转台(7)中心以相反的方向摆动。
8.根据权利要求4所述的一种双入射角度式太赫兹时域光谱涂层测量方法，其特征在于：所述发射天线(3)、第一入射透镜(4)和第二入射透镜(5)均设置于第一旋转臂(14)上，且发射天线(3)、第一入射透镜(4)和第二入射透镜(5)能够随第一旋转臂(14)摆动，从而实现调整太赫兹信号的入射角度。
9.根据权利要求4所述的一种双入射角度式太赫兹时域光谱涂层测量方法，其特征在于：所述第一接收透镜(8)、第二接收透镜(9)和接收天线(10)均设置于第二旋转臂(15)上，且第一接收透镜(8)、第二接收透镜(9)和接收天线(10)能够随第二旋转臂(15)摆动，从而当太赫兹信号的入射角度调整时，接收天线(10)接收反射的太赫兹信号的角度能够做出相应的调整。
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