CN113008833A - 一种高精度光学薄膜透射率或反射率测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高精度光学薄膜透射率或反射率测量方法及装置，它属于光学检测技术领域。本发明通过构造平衡探测光路，利用Fresnel公式和差动原理，将测量光束在待测光学膜片上的透射率或反射率测量问题转换为参考光束在光学棱镜表面的反射率精度标定问题。相比于现有测量方法及装置，本发明具有测量过程简单、步骤简洁、智能化程度好以及精度高等优点，更加适合于工程应用。

Description

一种高精度光学薄膜透射率或反射率测量方法及装置
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，涉及一种高精度光学薄膜透射率或反射率测量方法及装置。
背景技术
光学薄膜作为一种极为重要的光学元件，在众多光学系统及装置中得到广泛应用，而且其性能直接决定着这些光学系统或者装置的应用水平，例如激光陀螺中，构成环形光学谐振腔的高反镜的镀膜质量直接决定了陀螺最终性能。高反射率薄膜(以下简称为高反膜)和增加透射率薄膜(以下简称为增透膜)是最为典型的两种光学薄膜，它们通常利用电子蒸发、磁控溅射或者离子溅射等方式，将高、低折射率光学材料均匀镀制在光滑光学材料上，利用光在高、低折射率光学材料交界面处的多光束反射、透射的干涉效应，实现高反和增透的功能。近些年来，随着超精密研抛技术的发展和镀膜技术的提升，人们能镀制的光学薄膜性能越来越高，以高反膜为例，早在1992年已有总损耗为1.6ppm(1ppm＝10-6)的高反膜报道。光学薄膜技术的发展也给检测技术提出了新的挑战，如何高精度测量光学薄膜的性能，一直是光学薄膜技术领域研究的重要问题之一。上世纪70年代末，为解决国内激光陀螺光学镀膜问题，高伯龙院士提出了利用差动原理进行透射率或反射率高精度测量的原理及方案，该方案可将高反膜或增透膜的性能测量精度提高至0.02％，利用该原理及方案研制的DF透反仪，目前仍在广泛应用。1984年，为解决环形光学谐振腔的损耗测量问题，美国D.Anderson等人提出了一种新颖的高精度测量方法——腔衰荡法，该方法将高反膜或增透膜的损耗测量精度提高至ppm量级！至此，超低损耗光学薄膜的性能检测问题已经基本解决。然而，除高反膜或增透膜这类低损耗光学薄膜外，还有其他类型反射或透射光学薄膜性能需要高精度测量，其反射率或透射率介于0～1之间，如何解决该损耗区域的光学薄膜性能高精度测量问题，这成为本发明的初衷。更为重要的是，光学镀膜设计和具体实施中，通常需要试镀光学膜片来确定镀膜材料折射率及镀膜速度，这就需要膜层光学参数精确测量方法，这也是本发明拟重点解决的问题。虽然，目前已有几种典型仪器或方法能测量这种情况，如DF透反仪、分光光度计、腔衰荡法等，但这些装置和方法普遍存在测量精度有限、仪器成本较高、操作较繁琐等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有光学薄膜透射率或反射率测量方法及装置普遍存在的精度有限、成本较高、操作较繁琐等问题，提出一种高精度光学薄膜透射率或反射率测量方法及装置。
本发明采用的技术方案是：
一种高精度光学薄膜透射率或反射率测量方法，包括以下步骤：
第一步，构建平衡探测光路：将一束线偏振激光分束为测量光束和参考光束，分束比为k0，即所述测量光束与参考光束的强度比Im：Ir＝k0，将测量光束射向待测光学膜片6，其透射或反射光由平衡光电探测器7的第一光电管Dm7a接收，将参考光束射向光强调节单元，通过光强调节单元的参考光束由平衡光电探测器7的第二光电管Dr7b接收，所述光强调节单元只能改变参考光束的强度和传播方向；
第二步，改变参考光束的强度，使得平衡光电探测器7的差动输出信号为零：通过所述光强调节单元改变其输出参考光束的强度，直至平衡光电探测器7的差动输出信号为零时停止，记录此时光强调节单元的调节系数k1，k1等于参考光束通过光强调节单元的强度变化系数；
第三步，计算待测光学膜片6的透射率Tm或反射率Rm值，即Tm＝k1或k0或Rm＝k1或k0。
进一步地，所述第一步中所述光强调节单元包括已知折射率为N2的光学元件4和精密转台5，所述光学元件4固定放置在精密转台5的转动台面中心，所述参考光束以初始入射角度θ0射向所述光学元件4表面，其反射光由平衡光电探测器的第二光电管Dr7b接收；
所述第二步中，旋转精密转台5，改变光强调节单元输出参考光束的强度，直至平衡光电探测器的差动输出信号为零时停止，记录精密转台转动的角度Δθ，此时参考光束的入射角θi＝θ0+Δθ，利用Fresnel公式计算且记录k1。
进一步地，所述精密转台5精度达到角秒量级。
进一步地，所述光学元件4为单质光学材料，其表面粗糙度优于0.1nm，其折射率N2>1.4。
进一步地，所述线偏振激光分束产生的测量光束和参考光束分别到达第一光电管Dm与第二光电管Dr的两光路长度相等。
进一步地，所述分束比k0大小可改变，且k0∈(0,1]。
一种高精度光学薄膜透射率或反射率测量装置，包括激光器1、偏振调节器2、分束器3、光学元件4、精密转台5、平衡光电探测器7和信号处理控制系统8；
所述激光器1用于产生并输出偏振激光；
所述偏振调节器2用于使入射的偏振激光变为线偏振激光；
所述分束器3用于使入射的激光分束为测量光束和参考光束；
所述光学元件4设置在所述精密转台5的转动台面的中心；
所述平衡光电探测器7包括第一光电管Dm7a和第二光电管Dr7b；
所述信号处理控制系统8用于采集和处理平衡光电探测器7的输出信号，控制精密转台5进行转动，计算待测光学膜片的透射率或反射率；
所述激光器1发出的激光，经过偏振调节器2后，入射到分束器3上被分为测量光束和参考光束，所述测量光束入射到待测光学膜片6上，其透射或反射光由第一光电管Dm7a接收，所述参考光束入射到光学元件4表面上，其反射光由第二光电管Dr7b接收；所述平衡光电探测器7的信号输出端连接信号处理控制系统8的信号输入端，所述信号处理控制系统8控制信号输出端连接精密转台5的控制端。
进一步地，所述激光器1功率稳定度优于1％。
进一步地，所述分束器3的分束比k0可以调节，且可使测量光束与参考光束的强度之比Im:Ir＝k0∈(0,1]。
进一步地，所述光学元件4为单质光学材料，其表面粗糙度优于0.1nm，其折射率N2>1.4。
进一步地，所述精密转台5精度达到角秒量级。
本发明更适合测量透射率或反射率在0.5％～99.5％范围的光学膜片，与现有测量方法相比较，具有以下优点：
(1)本发明利用Fresnel公式将参考光束在已知折射率的光学元件上的反射率精确标定通过高精度转台引入的入射角度来保证，从而可以提高平衡光电探测器参考光强的准确性；
(2)本发明将测量光束在待测光学膜片上的透射率或反射率测量转换为参考光束在已知折射率的光学元件表面的反射率精度标定问题；
(3)本发明测量过程简单、步骤简洁、智能化程度较高，更加适合于工程应用。
附图说明
图1为本发明测量的基本思路框图。
图2为本发明测量装置结构示意图。
图3为根据Fresnel公式计算得到的P光在不同折射率光学元件表面光强反射谱。
具体实施方式
下面结合图1和图2、图3阐述本发明的具体实施方式。
如图1和图2所示，一种高精度光学薄膜透射率或反射率测量方法，包括以下步骤：
第一步，构建平衡探测光路：将一束线偏振激光分束为测量光束和参考光束，分束比为k0，即所述测量光束与参考光束的强度比Im：Ir＝k0，将测量光束射向待测光学膜片6，其透射或反射光由平衡光电探测器7的第一光电管Dm7a接收，将参考光束射向光强调节单元，通过光强调节单元的参考光束由平衡光电探测器7的第二光电管Dr7b接收，所述光强调节单元只能改变参考光束的强度和传播方向；
第二步，改变参考光束的强度，使得平衡光电探测器7的差动输出信号为零：通过所述光强调节单元改变其输出参考光束的强度，直至平衡光电探测器7的差动输出信号为零时停止，记录此时光强调节单元的调节系数k1，k1等于参考光束通过光强调节单元的强度变化系数；
第三步，计算待测光学膜片6的透射率Tm或反射率Rm值，即Tm＝k1或k0或Rm＝k1或k0。
优选地，所述第一步中所述光强调节单元包括已知折射率为N2的光学元件4和精密转台5，所述光学元件4固定放置在精密转台5的转动台面中心，所述参考光束以初始入射角度θ0射向所述光学元件4表面，其反射光由平衡光电探测器的第二光电管Dr接收；
所述第二步中，旋转精密转台5，改变光强调节单元输出参考光束的强度，直至平衡光电探测器的差动输出信号为零时停止，记录精密转台转动的角度Δθ，此时参考光束的入射角θi＝θ0+Δθ，利用Fresnel公式计算且记录k1。
优选地，所述精密转台5精度达到角秒量级。
优选地，所述光学元件4为单质光学材料，其表面粗糙度优于0.1nm，其折射率N2>1.4。
优选地，所述线偏振激光分束产生的测量光束和参考光束分别到达第一光电管Dm与第二光电管Dr的两光路长度相等。
优选地，所述分束比k0大小可改变，且k0∈(0,1]。
如图2所示，一种高精度光学薄膜透射率或反射率测量装置，包括激光器1、偏振调节器2、分束器3、光学元件4、精密转台5、平衡光电探测器7和信号处理控制系统8；
所述激光器1用于产生并输出偏振激光；所述偏振调节器2用于使入射的激光变为线偏振激光；所述分束器3用于使入射的激光分束为测量光束和参考光束；所述光学元件4设置在所述精密转台5的转动台面的中心；所述平衡光电探测器7包括第一光电管Dm7a和第二光电管Dr7b；所述信号处理控制系统8用于采集和处理平衡光电探测器7的输出信号，控制精密转台5进行转动，计算待测光学膜片的透射率或反射率；
所述激光器1发出的激光，经过偏振调节器2后，入射到分束器3上被分为测量光束和参考光束，所述测量光束入射到待测光学膜片6上，其透射或反射光由第一光电管Dm7a接收，所述参考光束入射到光学元件4表面上，其反射光由第二光电管Dr7b接收；所述平衡光电探测器7的信号输出端连接信号处理控制系统8的信号输入端，所述信号处理控制系统8控制信号输出端连接精密转台5的控制端。
优选地，激光器1为采用PID稳功率的氦氖激光器，偏振调节器2为半波片，偏振方向为待测光学膜片6的P光偏振态，分束器3的分束比k0＝1，光学元件4为单质材料的折射率为N2＝1.457的光学棱镜，精密转台5为精度达到角秒量级的转台。
采用PID稳功率的氦氖激光器发出的线偏振激光，经半波片后，偏振方向为待测光学膜片6的P光偏振态，后被分束器3分为透射、反射两路，即分为参考光束和测量光束，其中参考光束以初始入射角度θ0入射到光学棱镜斜边面，经反射后，由平衡光电探测器7的第二光电管Dr7b进行接收，形成参考光路；测量光束经待测光学膜片6反射或透射后，由平衡光电探测器7的第一光电管Dm7a进行接收，所述平衡光电探测器7的差动信号经信号处理控制系统8数据采集处理，所述信号处理控制系统8根据所述差动信号大小，驱动精密转台5旋转，直至所述差动信号为零，假设精密转台5旋转角度为Δθ，计算机根据精密转台转动角度Δθ和初始入射角度θ0，计算得到差动信号为零时参考光束入射到光学棱镜斜边面的入射角度θi＝θ0+Δθ，进而根据Fresnel公式，以及空气折射率N1和光学棱镜材料的折射率N2，可得：
Figure BDA0002929897010000051
式中，N1为空气折射率，θt为参考光束在光学棱镜斜边面内的折射角，Rr为参考光束在光学光学棱镜的反射率。
如图3所示，对于P光而言，当参考光入射角小于Bruster角时，不同入射角度对应不同反射率，因此，当确定参考光入射角度后，即可根据入射角与反射率之间的对应关系，确定反射率大小值，由此作为衡量待测膜片反射或透射率的标准。
在本实施例中k1＝Rr，k0＝1，所以待测光学膜片的透射率Tm或反射率Rm为
Figure BDA0002929897010000052
以上是发明人给出的本发明一个实现的具体例子，但本发明并不局限于该实例。只要是在本发明技术方案结构上做的简单变化，均应属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种高精度光学薄膜透射率或反射率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，构建平衡探测光路：将一束线偏振激光分束为测量光束和参考光束，分束比为k0，即所述测量光束与参考光束的强度比Im：Ir＝k0，将测量光束射向待测光学膜片(6)，其透射或反射光由平衡光电探测器(7)的第一光电管Dm(7a)接收，将参考光束射向光强调节单元，通过光强调节单元的参考光束由平衡光电探测器(7)的第二光电管Dr(7b)接收，所述光强调节单元只能改变参考光束的强度和传播方向；
第二步，改变参考光束的强度，使得平衡光电探测器(7)的差动输出信号为零：通过所述光强调节单元改变其输出参考光束的强度，直至平衡光电探测器(7)的差动输出信号为零时停止，记录此时光强调节单元的调节系数k1，k1等于参考光束通过光强调节单元的强度变化系数；
第三步，计算待测光学膜片(6)的透射率Tm或反射率Rm值，即Tm＝k1或k0或Rm＝k1或k0。
2.根据权利要求1所述的高精度光学薄膜透射率或反射率测量方法，其特征在于，
所述第一步中所述光强调节单元包括已知折射率为N2的光学元件(4)和精密转台(5)，所述光学元件(4)固定放置在精密转台(5)的转动台面中心，所述参考光束以初始入射角度θ0射向所述光学元件(4)表面，其反射光由平衡光电探测器的第二光电管Dr(7b)接收；
所述第二步中，旋转精密转台(5)，改变光强调节单元输出参考光束的强度，直至平衡光电探测器的差动输出信号为零时停止，记录精密转台转动的角度Δθ，此时参考光束的入射角θi＝θ0+Δθ，利用Fresnel公式计算且记录k1。
3.根据权利要求2所述的高精度光学薄膜透射率或反射率测量方法，其特征在于，所述精密转台(5)精度达到角秒量级。
4.根据权利要求2所述的高精度光学薄膜透射率或反射率测量方法，其特征在于，所述光学元件(4)为单质光学材料，其表面粗糙度优于0.1nm，其折射率N2>1.4。
5.根据权利要求1-4任一项所述的高精度光学薄膜透射率或反射率测量方法，其特征在于，所述线偏振激光分束产生的测量光束和参考光束分别到达第一光电管Dm(7a)与第二光电管Dr(7b)的两光路长度相等。
6.根据权利要求5所述的高精度光学薄膜透射率或反射率测量方法，其特征在于，所述分束比k0大小可改变，且k0∈(0,1]。
7.一种高精度光学薄膜透射率或反射率测量装置，其特征在于，包括激光器(1)、偏振调节器(2)、分束器(3)、光学元件(4)、精密转台(5)、平衡光电探测器(7)和信号处理控制系统(8)；
所述激光器(1)用于产生并输出偏振激光；
所述偏振调节器(2)用于使入射的激光变为线偏振激光；
所述分束器(3)用于使入射的激光分束为测量光束和参考光束；
所述光学元件(4)设置在所述精密转台(5)的转动台面的中心；
所述平衡光电探测器(7)包括第一光电管Dm(7a)和第二光电管Dr(7b)；
所述信号处理控制系统(8)用于采集和处理平衡光电探测器(7)的输出信号，控制精密转台(5)进行转动，根据Fresnel公式计算待测光学膜片(6)的透射率或反射率；
所述激光器(1)发出的激光，经过偏振调节器(2)后，入射到分束器(3)上被分为测量光束和参考光束，所述测量光束入射到待测光学膜片(6)上，其透射或反射光由第一光电管Dm(7a)接收，所述参考光束入射到光学元件(4)表面上，其反射光由第二光电管Dr(7b)接收；所述平衡光电探测器(7)的信号输出端连接信号处理控制系统(8)的信号输入端，所述信号处理控制系统(8)控制信号输出端连接精密转台(5)的控制端。
8.根据权利要求7所述的高精度光学薄膜透射率或反射率测量装置，其特征在于，所述激光器(1)功率稳定度优于1％。
9.根据权利要求7所述的高精度光学薄膜透射率或反射率测量装置，其特征在于，所述分束器(3)的分束比k0可以调节，且可使测量光束与参考光束的强度之比Im:Ir＝k0∈(0,1]。
10.根据权利要求7所述的高精度光学薄膜透射率或反射率测量装置，其特征在于，所述光学元件(4)为单质光学材料，其表面粗糙度优于0.1nm，其折射率N2>1.4。
11.根据权利要求7-10任一项所述的高精度光学薄膜透射率或反射率测量装置，其特征在于，所述精密转台(5)精度达到角秒量级。
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