CN1632527A - 热透镜透反式薄膜吸收测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种热透镜透反式薄膜吸收测量方法及装置，基于热透镜薄膜吸收测量法和表面热透镜薄膜吸收测量法，同时测量光热透镜效应中透射和反射的探测激光中心光强信号I_R和I_T。如通过调节光电探测器的放大倍数，或在反射和透射光路中安装衰减器使两个光电探测器接收到的光强相等，这样得到的热透镜透反信号S_RT＝(I_R－I_T)/I₀可在相当大的范围内与薄膜吸收率成正比。这样吸收测量的线性度得到改善，线性范围得以拓展，即使定标样品的吸收率比待测样品大很多也能进行准确的测量。而且由于热透镜透反信号S_RT随A变化的斜率是表面热透镜信号S_R和热透镜信号S_T的两倍，使用本发明的热透镜透反式测量法还可以提高测量的灵敏度和分辨率。

Description

热透镜透反式薄膜吸收测量方法及装置

技术领域：

本发明涉及一种薄膜吸收测量的方法，具体指提高测量的线性度、灵敏度和分辨率的方法。

背景技术：

薄膜吸收损耗的存在，不仅会影响薄膜的性能，也是造成薄膜激光损伤的重要原因。因而需要对薄膜吸收作精确、定量的测量与分析。

传统的薄膜吸收率测量方法大致可分为直接测量如量热法和间接测量如光度法、光谱法，但其测量精度仅达10^-3量级，无法满足当今光学发展的技术指标要求。

将光声光热技术应用于光学材料弱吸收的测量是近十几年来国内外兴起的技术，由于其采用的是光学无损测量，且测量精度可高达10^-6量级，国外报道甚至可望达到10^-8量级，空间分辨率高于0.1mm量级，已得到了专家的普遍重视。

光热吸收测量方法可分为光热偏转测量法、光热位移测量法、热透镜测量法和表面热透镜测量法。其中光热偏转测量法和光热位移测量法因为对实验中光路调节的要求极高，人为因素的影响较大，因而实验误差较大。而热透镜测量法和表面热透镜测量法可使实验过程中信号的调节、优化得到极大的简化，而且具有更高的空间分辨率，可达10μm量级。

发明内容：

本发明是在热透镜测量和表面热透镜测量的基础上提出的，因而首先对这两种技术进行简单的理论分析。

泵浦激光(Pump Laser)经光强调制器，如机械斩光器或电光、声光调制器调制后，由透镜会聚到待测的薄膜样品表面。样品表面局部吸收泵浦激光能量受热，导致微区折射率梯度分布和微区热形变，常统称为光热效应。我们用一个高出样品表面、内部折射率均匀的“热包”来模拟梯度折射率和热形变的综合效果。探测激光(Probe Laser)经透镜会聚照射到热包上。在样品表面上探测光斑的直径大于热包的直径。由于热包的作用导致透射和反射的探测激光截面上的光强分布发生变化。反射和透射的探测激光光斑中心光强的变化率与样品的吸收率在一定条件下成正比，由此即可测量薄膜的吸收。通过反射探测激光中心光强的变化来测量吸收的方法称为表面热透镜测量法，通过透射光强的变化来测量吸收的方法则称为热透镜测量法。如附图1所示，当光纤或小孔接收的是反射的探测激光中心光强时即为表面热透镜测量法，而当光纤或小孔接收的是透射的探测激光中心光强时即为表面热透镜测量法。

对于表面热透镜吸收测量法，在一定条件下，反射探测激光中心光强I_R可由下式表示：

I_R＝(C₃AP_pump+1)P_probeRC₄                 (1)

表面热透镜信号S_R定义如下：

$S_R=\frac{I_{R1}-I_{R0}}{I_{R0}}{C}_{3}A{P}_{\mathrm{pump}}---\left(2\right)$

其中I_R1表示泵浦激光照射时反射探测光斑的中心光强，I_R0表示没有泵浦激光照射时反射探测光斑的中心光强；P_probe表示探测激光的功率，P_pump表示泵浦激光的功率；A是薄膜样品的吸收率；R表示样品对探测激光的反射率；C₃和C₄是测量系统参数，在同样的测量条件下是常数。

测量时先测出定标样品(其吸收率已知)的光热信号并记录测量时的P_pump，即可求出C₃C₄的乘积，之后就可以测量待测样品的吸收了。

对于热透镜测量方法同样的有：

I_T＝(-C₃AP_pump+1)P_probeTC₄            (3)

$S_T=\frac{I_{T1}-I_{T0}}{I_{T0}}=-C_{3}A{P}_{\mathrm{pump}}---\left(4\right)$

其中T表示样品对探测光的透射率，S_T表示热透镜信号。

但在实际使用中，尤其是当定标样品和待测样品的吸收率相差较大时，测量结果却不很准确，这是因为1-4式反映的表面热透镜信号和热透镜信号与吸收率的线性关系只在较小的吸收范围内成立。

下面给出反射和透射的探测激光光强分布。

在一定条件下，反射的探测激光中心光强表达式如下：

$I_R=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{\left|E_R\right|}^2\mathrm{dt}$

$E_R=C_2\frac{e^{\mathrm{iArc}\tan (z_1/f)+\mathrm{ik}(-z_1+z_{12}){\mathrm{\ω}}_0}}{\mathrm{i\λ}{z}_{12}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{probe}}}\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}{e}^{-\frac{\mathrm{ik}}{2q}({\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\β}}^2)-i2k{h}_i{e}^{-\frac{{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\β}}^2}{\mathrm{\ω}{\mathrm{pump}}^2}}+\frac{\mathrm{ik}}{2z_{12}}({(x-\mathrm{\α})}^2+{(y-\mathrm{\β})}^2)}\mathrm{d\αd\β}$

h_t＝h₀(cos(ωt+θ_h)+1)/2

h₀＝C₁AP_pump

其中，h_t是受调制的热包高度，h₀是h_t的振幅，E_R是反射光电场分布。

对于透射光：

$I_T=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{\left|E_T\right|}^2\mathrm{dt}$

$E_T=C_2\frac{e^{\mathrm{iArc}\tan (z_1/f)+\mathrm{ik}(-z_1+z_{12}){\mathrm{\ω}}_0}}{\mathrm{i\λ}{z}_{12}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{probe}}}\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}{e}^{-\frac{\mathrm{ik}}{2q}({\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\β}}^2)-i2k{h}_i{e}^{-\frac{{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\β}}^2}{\mathrm{\ω}{\mathrm{pump}}^2}}+\frac{\mathrm{ik}}{2z_{12}}({(x-\mathrm{\α})}^2+{(y-\mathrm{\β})}^2)}\mathrm{d\αd\β}$

h_t＝h₀(cos(ωt+θ_h)+1)/2

h₀＝C₁AP_pump

根据上述公式可计算出探测光斑中心光强I_R、I_T随h₀的变化关系(见附图2)。计算过程中假定样品对探测激光的透射率和反射率相等。

从附图2中的I_R、I_T两条曲线可以看出在较大的吸收范围内I_R、I_T随h₀的变化关系并不是严格线性的，而h₀在一定条件下和样品吸收率A成正比。由此可知，根据公式(1)-(4)进行吸收率测量其准确性较低。

发明内容：

本发明目的解决上述“热透镜吸收测量法”和“表面热透镜吸收测量法”存在线性度不好的缺陷，以提高吸收测量的线性度、灵敏度和分辨率。由此提出一种“热透镜透反式薄膜吸收测量方法”，即同时测量反射和透射探测激光光斑中心光强的方法。

根据上述I_R和I_T的积分表达式，我们计算出了I_R-I_T随h₀的变化关系(如附图2中标有I_R-T的曲线所示)。计算过程中假定样品对探测激光的透射率和反射率相等。从图中看出在h₀相当大的变化范围内I_R-I_T都是与h₀成正比的，而且I_R-T曲线的斜率比I_R和I_T曲线的斜率都大。

本发明的一种测量方法，即同时测量透射和反射的探测激光中心光强信号I_R和I_T，当没有泵浦激光照射时得到I_R0和I_T0。一般样品的反射率和透射率并不相等，所以I_R0和I_T0也不相等。但我们可人为的使I_R0和I_T0相等，如通过调节光电探测器上的偏置电压改变探测器的放大倍数，使得两光电探测器输出的电压相等，或在反射和透射光路中安装可调光衰减器使两个光电探测器接收到的光强相等。这样得到的I_R-I_T随h₀变化的曲线就如同附图2中的一样经过坐标原点。

据此，定义热透镜透反式测量法的光热信号为：

$S_{\mathrm{RT}}=\frac{I_R-I_T}{I_{R0}}=\frac{I_R-I_T}{I_{T0}}$

根据上述I_R和I_T的积分表达式，在h₀较小的情况下，I_R0和I_T0可以近似表示为：

I_R＝(C₃AP_pump+1)P_probeRC₄

I_T＝(-C₃AP_pump+1)P_probeTC₄

使用前面提到的方法使得R＝T，这样就可得：

S_RT＝2C₃AP_pump                              (5)

(5)式中的C₃在很大的吸收变化范围内是一个常数，因为附图2显示在h₀相当大的变化范围内I_R-I_T都与h₀(也即与吸收A)成正比。这样吸收测量的线性度得到改善，线性范围得以拓展，即使定标样品的吸收率比待测样品大很多也能进行准确的测量。而且由于S_RT随A变化的斜率是S_R和S_T的两倍，所以用热透镜透反式测量法能获得更高的吸收测量灵敏度和分辨率，即能测量更小的吸收率，而且能分辨更小的吸收率变化。

附图说明：

图1为本发明的热透镜薄膜吸收测量法、表面热透镜薄膜吸收测量法以及热透镜透反式薄膜吸收测量法的原理图。

图2为本发明的反射和透射的探测激光光斑中心光强信号以及它们的差和热包中心最大高度的关系曲线图。

图3、4为本发明的热透镜透反式薄膜吸收测量装置结构图。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明作进一步的描述：

本发明—热透镜透反式薄膜吸收测量方法中热透镜透反信号的定义及吸收测量方法如下：

a.于热透镜薄膜吸收测量法和表面热透镜薄膜吸收测量法，同时测量反射和透射的探测激光中心光强信号，将热透镜透反信号S_RT定义为：

$S_{\mathrm{RT}}=\frac{I_R-I_T}{I_0}=\mathrm{CA}{P}_{\mathrm{pump}}$ 其中：

I_R：泵浦激光照射时反射探测激光光斑中心光强信号；

I_T：泵浦激光照射时透射探测激光光斑中心光强信号；

I₀：无泵浦激光照射时探测激光光斑中心光强信号，在实验系统中令无泵光照射时反射和透射的探测激光光斑中心光强信号相等；

C：仪器参数，在同样的测试条件下，C是一个常数，可用已知吸收的定标样品来确定C；

A：薄膜样品对泵浦激光的吸收率，P_pump表示泵浦激光功率；

b.其测量操作步骤如下：

1)将薄膜样品1放置在一个由计算机15控制的二维移动平台2上；

2)调节泵浦激光光路使泵浦激光器3发射的激光经衰减器4、分光功率监控器5、光调制器6、聚焦透镜7后几乎垂直聚焦入射到薄膜样品1的表面上；

3)调节探测激光光路使探测激光器8发射的激光经调制器9和透镜10聚焦后入射到薄膜样品1上的同一位置，反射光和透射光经滤光片11后，其中心光强信号由小孔17或光纤12接收后传输到产生光电信号的光电探测器13上；

4)将反射探测激光信号接入锁相放大器14的A输入端，透射激光信号接入锁相放大器14的B输入端；探测激光光路上的调制器9的参考频率信号输入到锁相放大器14的参考输入端；泵浦激光光路上的分光功率监控器5将其测得的功率数值输入至用于控制各部件工作并对获取的测量数据进行处理的计算机15；

5)关闭或挡住泵浦激光，将衰减器4调到大幅度衰减的位置；

6)将测得吸收率为A_C定标薄膜样品1，放到二维移动平台2上，仔细调节探测光位置使薄膜样品1表面的探测激光光斑和泵浦激光光斑同心；令薄膜样品1表面的探测激光光斑直径为2到4倍于泵浦激光斑直径；

7)调节光纤12端面位置使它们对准光斑中心；

8)调节光电探测器13的放大倍数或调节反射和透射探测光路中光强信号较大的一路的衰减器的衰减率，使锁相放大器14的读数最小，注意不能将光电探测器13的放大倍数调得太小或太大；

9)将探测激光的透射光路挡住，记录此时的锁相读数I_C0后去掉透射光路遮挡物；

10)打开泵浦激光，记录泵浦激光功率为P_Cpump，记录此时锁相读数为I_C1；

11)按公式C＝I_C1/(I_C0P_CpumpA_C)计算系统常数C；

12)关闭或挡住泵浦激光，取下定标薄膜样品1，放上待测的薄膜样品，将衰减器4调到透射率最大的位置，重复7-10的步骤测得I_S0、P_Spump和I_S1；

13)按公式A_S＝I_S1/(I_S0P_SpumpC)计算待测样品的吸收。

本发明的热透镜透反式薄膜吸收测量装置，由泵浦激光器3、计算机15控制的二维移动平台2、可调光衰减器4、分光功率监控器5、光调制器6、聚焦透镜7、探测激光器8、光调制器9、透镜10等部件及锁相放大器14和用于控制各部件工作并对获取的测量数据进行处理的计算机15等组成。

其在薄膜样品1反射和透射的探测激光光路上，在光束传播的方向上分别依次设置滤光片11、对准反射和透射激光光斑中心的小孔17、光电探测器13，反射光路上的光电探测器13产生的电压信号接入锁相放大器14的A输入端，透射的光电探测器13产生的电压信号接入锁相放大器14的B输入端。其中，滤光片11的作用是透过探测激光，反射泵浦激光和其它杂散光。

本发明的另一个实施例，在反射和透射的探测激光光路上，在薄膜样品1和滤光片11之间设置一实现无泵浦激光照射薄膜样品时，两光电探测器13输出的电压信号相等的用以调节衰减率的可调光衰减器16(如图4所示)。这种装置可通过调节光衰减器16的衰减率使反射和透射光路的光强信号相等。

再一个实施例，用光纤12代替小孔17，同时接收反射和透射的探测激光中心光强，通过调节光电探测器13放大分辨率使无泵浦激光照射时它们的输出电压相等或通过调节光衰减器16衰减率使无泵浦激光照射时光电探测器13的输出电压相等，也即使无泵浦激光照射时的热透镜透反信号为零。

Claims (4)

1.一种热透镜透反式薄膜吸收测量方法，其特征在于

a.基于热透镜薄膜吸收测量法和表面热透镜薄膜吸收测量法，同时测量反射和透射的探测激光中心光强信号，将热透镜透反信号S_RT定义为：

$S_{\mathrm{RT}}=\frac{I_R-I_T}{I_0}{=\mathrm{CAP}}_{\mathrm{pump}}$ 其中，

I_R：泵浦激光照射时反射探测激光光斑中心光强信号；

I_T：泵浦激光照射时透射探测激光光斑中心光强信号；

I₀：无泵浦激光照射时探测激光光斑中心光强信号，在实验系统中令无泵光照射时反射和透射的探测激光光斑中心光强信号相等；

C：仪器参数，在同样的测试条件下，C是一个常数，可用已知吸收的定标样品来确定C；

A：薄膜样品对泵浦激光的吸收率，P_pump表示泵浦激光功率；

b.其测量操作步骤如下：

1)将薄膜样品(1)放置在一个由计算机(15)控制的二维移动平台(2)上；

2)调节泵浦激光光路使泵浦激光器(3)发射的激光经衰减器(4)、分光功率监控器(5)、光调制器(6)、聚焦透镜(7)后几乎垂直聚焦入射到薄膜样品(1)的表面上；

3)调节探测激光光路使探测激光器(8)发射的激光经调制器(9)和透镜(10)聚焦后入射到薄膜样品(1)上的同一位置，反射光和透射光经滤光片(11)后，其中心光强信号由小孔(17)或光纤(12)接收后传输到产生光电信号的光电探测器(13)上；

4)将反射探测激光信号接入锁相放大器(14)的A输入端，透射激光信号接入锁相放大器(14)的B输入端；探测激光光路上的调制器(9)的参考频率信号输入到锁相放大器(14)的参考输入端；泵浦激光光路上的分光功率监控器(5)将其测得的功率数值输入至用于控制各部件工作并对获取的测量数据进行处理的计算机(15)；

5)关闭或挡住泵浦激光，将衰减器(4)调到大幅度衰减的位置；

6)将测得吸收率为AC定标薄膜样品(1)，放到二维移动平台(2)上，仔细调节探测光位置使薄膜样品(1)表面的探测激光光斑和泵浦激光光斑同心；令薄膜样品(1)表面的探测激光光斑直径为2到4倍于泵浦激光斑直径；

7)调节光纤(12)端面位置使它们对准光斑中心；

8)调节光电探测器(13)的放大倍数或调节反射和透射探测光路中光强信号较大的一路的衰减器的衰减率，使锁相放大器(14)的读数最小，注意不能将光电探测器(13)的放大倍数调得太小或太大；

9)将探测激光的透射光路挡住，记录此时的锁相读数I_C0后去掉透射光路遮挡物；

10)打开泵浦激光，记录泵浦激光功率为P_Cpump，记录此时锁相读数为I_C1；

11)按公式C＝I_C1/(I_C0P_CpumpA_C)计算系统常数C；

12)关闭或挡住泵浦激光，取下定标薄膜样品(1)，放上待测的薄膜样品，将衰减器(4)调到透射率最大的位置，重复7-10的步骤测得I_S0、P_Spump和I_S1；

13)按公式A_S＝I_S1/(I_S0P_SpumpC)计算待测样品的吸收。

2.如权利要求1所述的热透镜透反式薄膜吸收测量装置，其特征在于：由泵浦激光器(3)、计算机(15)控制的二维移动平台(2)、可调光衰减器(4)、分光功率监控器(5)、光调制器(6)、聚焦透镜(7)、探测激光器(8)、光调制器(9)、透镜(10)等部件及锁相放大器(14)和用于控制各部件工作并对获取的测量数据进行处理的计算机(15)等组成；

在薄膜样品(1)反射和透射的探测激光光路上，在光束传播的方向上分别依次设置滤光片(11)、对准反射和透射激光光斑中心的小孔(17)、光电探测器(13)，反射光路上的光电探测器(13)产生的电压信号接入锁相放大器(14)的A输入端，透射的光电探测器(13)产生的电压信号接入锁相放大器(14)的B输入端。

3.如权利要求2所述的热透镜透反式薄膜吸收测量装置，其特征在于在反射和透射的探测激光光路上，在薄膜样品(1)和滤光片(11)之间设置一实现无泵浦激光照射薄膜样品(1)时，两光电探测器(13)输出的电压信号相等的用以调节衰减率的可调光衰减器(16)。

4.如权利要求2或3所述的热透镜透反式薄膜吸收测量装置，其特征在于用光纤(12)代替小孔(11)接收和传输反射和透射的探测激光光斑中心光强。

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