CN1940528A - 介质薄膜群延迟的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于F－P干涉效应来测量待测介质薄膜的中心波长群延迟的方法。该群延迟测量方法包含以下步骤：(A)测量待测介质薄膜的透过率曲线；(B)根据待测介质薄膜光谱曲线的特点，镀制两片中心波长与待测薄膜相同，具有适合透过率和已知相位变化的参考反射镜；(C)将两片参考介质薄膜反射镜平行放置，中间用石英晶片间隔出空气间隙，构成一个F－P干涉仪；(D)测量由两片相同的参考介质薄膜构成的F－P干涉仪的干涉透过率曲线，根据该曲线计算出作为间隔层的石英晶片的厚度；(E)将其中一个参考介质薄膜替换为待测的介质薄膜，测量透过率曲线，根据计算得出待测介质薄膜的中心波长的群延迟。

Description

介质薄膜群延迟的测量方法

技术领域

本发明与薄膜的测量相关，特别是用于飞秒激光系统的激光薄膜的群延迟的测量方法。

技术背景

随着超快激光技术的迅速发展，脉宽的变窄，脉冲的频谱随之急剧扩大。这样的脉冲在激光器的固体增益介质中传播时，介质的群延迟色散对脉冲的宽度有着至关重要的影响，成为发展更短激光脉冲的障碍。因此为了获得更窄的脉冲，必须对增益介质的正色散进行补偿。同时，在连续波、飞秒激光器中包含了很多重要的光学功能薄膜，如高反膜(HR)、输出耦合(OC)、增透膜(AR)，这些广泛应用的介质薄膜也是色散元件，同样对脉冲的进一步压缩具有不利的影响。因此，一方面需要对介质薄膜的色散特性有深入的了解；另一方面可以设计出具有一定色散性能的光学薄膜来补偿增益介质及光路其他光学元件带来的色散，获得更短的脉冲输出。

为了研究薄膜的色散性能，设计出满足色散补偿要求的高性能薄膜，进一步对薄膜的位相变化和群延迟特性进行研究，建立一种精确的对群延迟测量的方法是必需的。国外的学者在此领域进行了深入的研究，目前测量薄膜群延迟常用的方法分为两类：一类是基于麦克尔逊干涉原理，这些方法包括干涉环法(the fringe contour configuration)，宽光源傅立叶变换法(the fourier inversion method by use a broadband source)，锁相干涉频域-频域位相测试法(the frequency-by-frequency phasemeasurement method by use of phase-locked interferometry)等。另一类是在现有飞秒激光器的基础上，利用飞秒激光干涉技术和理论运算，得出薄膜位相色散曲线。这些方法都有结构复杂，操作不便，间接计算过程繁琐等缺点，不便于广泛推广。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种介质薄膜群延迟的测量方法。同传统的测量方法相比较，该方法仅仅利用F-P干涉仪和光谱仪，涉及到的实验设备和光路简单，避免了复杂的运算，并且在相当宽的光谱范围内具有很高的精度。

本发明的解决方案如下：

一种薄膜群延迟测量方法，特征在于包括下列步骤：

①测量待测介质薄膜的透过率随波长的变化曲线，根据该曲线，判断待测介质薄膜的中心波长λ₀以及中心波长附近的透过率值；

②根据待测介质薄膜的光谱曲线的中心波长λ₀以及中心波长λ₀附近的透过率值，在基底表面镀制中心波长λ₀与待测介质薄膜中心波长λ₀相同的介质薄膜作为测量的参考反射镜共两片，测量参考介质薄膜反射镜的透过率曲线和反射位相φ随光波频率变化的曲线：φ₁(λ)，φ₂(λ)

③将所述的两片参考介质薄膜反射镜平行放置，中间用薄的石英晶片隔出空气间隙，形成一个F-P干涉仪，测量该干涉仪的透射干涉光谱曲线，在干涉极大处，有：

$\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\λ}\right)={\mathrm{\φ}}_1\left(\mathrm{\λ}\right)+{\mathrm{\φ}}_2\left(\mathrm{\λ}\right)+\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}2\mathrm{nh}\cos \mathrm{\α}=2\mathrm{\πi}---\left(1\right)$

式中：φ₁(λ)，φ₂(λ)为反射光在参考介质薄膜反射镜1、参考介质薄膜反射镜2表面反射时产生的位相随波长的变化关系，h为两参考介质薄膜反射镜之间空气隙的距离，即石英晶片的厚度，n为空气折射率，i为干涉级数，α为光线在反射薄膜表面的反射角度，由于φ₁(λ)，φ₂(λ)为两参考介质薄膜反射镜的位相随波长的变化关系，是已知的，利用(1)式和干涉极大处的波长求出石英晶片厚度h的精确值；

④将其中一片参考介质薄膜换成待测的介质薄膜，再测量构成的F-P干涉仪的干涉透过率曲线，将(1)式改写成：

这里φ₁(ω)、φ₃(ω)分别对应于已知参考介质薄膜反射镜和待测色散介质薄膜的反射位相随频率变化的关系，这里φ₁(ω)、φ₃(ω)分别对应于已知参考介质薄膜反射镜和待测色散介质薄膜的反射位相随频率变化的关系，从中心波长的相邻透过率极大值处我们可以得到待测薄膜的群延迟：

$\mathrm{\τ}\left({\mathrm{\ω}}_{i,i-1}\right)=\frac{{\mathrm{d\φ}}_3}{\mathrm{d\ω}}{|}_{{\mathrm{\ω}}_{i,i-1}}\≈\frac{{\mathrm{\φ}}_3\left({\mathrm{\ω}}_i\right)-{\mathrm{\φ}}_3\left({\mathrm{\ω}}_{i-1}\right)}{{\mathrm{\ω}}_i-{\mathrm{\ω}}_{i-1}}=-\frac{2h\cos \mathrm{\α}}{c}+\frac{(2\mathrm{\π}-{\mathrm{\Δ\φ}}_1){\mathrm{\λ}}_i{\mathrm{\λ}}_{i-1}}{2\mathrm{\πc}({\mathrm{\λ}}_{i-1}-{\mathrm{\λ}}_i)}---\left(3\right)$

式中：Δφ₁＝φ₁(λ_i)-φ₁(λ_i-1)，ω_i，i-1＝ω_i+ω_i-1/2，利用(3)式计算出待测介质薄膜的中心波长的群延迟。

本发明的优点：

同传统的测量方法相比较，本发明方法仅仅利用F-P干涉仪和光谱仪，涉及到的实验设备和光路简单，避免了复杂的运算，并且在相当宽的光谱范围内具有很高的精度。实验中在恒定的作用力下石英晶片作为F-P干涉仪两薄膜之间的支撑层能提供间隔稳定的空气隙。

附图说明

图1是待测介质薄膜测量的透射率与波长的关系曲线

图2是参考介质薄膜：单层ZrO₂介质薄膜透射率与波长的关系曲线

图3是参考介质薄膜的反射位相随波长变化的关系曲线

图4为两相同参考介质薄膜中间加薄石英晶片形成的F-P干涉的透过率曲线。

图5为将其中一片参考介质薄膜换成待测的多层介质薄膜后形成的F-P干涉仪在光谱仪上测量得到的干涉的透射率曲线，该曲线已经过减除背景噪声处理。

具体实施方式

步骤1、测量待测介质薄膜的透过率曲线，如图1。从光谱曲线可以判断，该薄膜为高反射率薄膜，中心波长位于800nm；

步骤2、根据该待测介质薄膜的中心波长800nm，镀制具有相同中心波长的介质薄膜作为测量的参考反射镜。该介质薄膜镀制相同的两片。利用光谱仪对所述的参考介质薄膜进行透过率测量，得到的透射率曲线如图2所示，其中的实线和虚线分别为单层薄膜的实验和理论透过率光谱曲线，且两者吻合的很好。图3为利用椭偏仪测量得到的膜层的反射位相与波长变化关系曲线；

步骤3、将两片相同的参考介质薄膜中间加薄石英晶片形成F-P干涉仪，测量该干涉仪的干涉透过率曲线，得到图4。在图4中，中心波长邻近的透过率极大值对应的波长值分别为798nm和803nm，再根据图3中波长798nm和803nm对应的位相值分别为179.8931度和180.1593度，将度数换算成弧度，然后利用公式(1)计算得出介质薄膜中间空气隙的厚度即石英晶片厚度h为57.435μm。

步骤4、将其中一个参考介质薄膜替换为待测的多层介质薄膜，然后在光谱仪上进行透射率测量，测试结果在图5中给出，由于测得的谱线幅度较小，图5是进行过减除本底透过率处理的透过率差曲线。由图可以看出在700nm～850nm范围内存在一系列谐振峰，在中心波长邻近的透过率极大值对应的波长值分别为λ_i＝799.6nm和λ_i-1＝805.2nm，根据图3得到波长对应的参考薄膜的位相分别为φ₁(λ_i)＝179.9466度和φ₁(λ_i-1)＝180.2649度，换算成弧度并计算得出Δφ₁＝φ₁(λ_i-1)-φ₁(λ_i)＝0.00556，把以上数据代入公式(3)并利用步骤3得出的石英晶片厚度h＝57.435μm，计算得出待测多层介质薄膜中心波长处的群延迟为0.2fs

Claims (1)

1、一种薄膜群延迟测量方法，特征在于包括下列步骤：

①测量待测介质薄膜的透过率随波长的变化曲线，根据该曲线，判断待测介质薄膜的中心波长λ₀以及中心波长附近的透过率值；

②根据待测介质薄膜的光谱曲线的中心波长λ₀以及中心波长λ₀附近的透过率值，在基底表面镀制中心波长λ₀与待测介质薄膜中心波长λ₀相同的介质薄膜作为测量的参考反射镜共两片，测量参考介质薄膜反射镜的透过率曲线和反射位相φ随光波频率变化的曲线：φ₁(λ)，φ₂(λ)

③将所述的两片参考介质薄膜反射镜平行放置，中间用薄的石英晶片隔出空气间隙，形成一个F-P干涉仪，测量该干涉仪的透射干涉光谱曲线，在干涉极大处，有：

$\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\λ}\right)={\mathrm{\φ}}_1\left(\mathrm{\λ}\right)+{\mathrm{\φ}}_2\left(\mathrm{\λ}\right)+\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}2\mathrm{nh}\cos \mathrm{\α}=2\mathrm{\πi}---\left(1\right)$

式中：φ₁(λ)、φ₂(λ)为反射光在参考介质薄膜反射镜1、参考介质薄膜反射镜2表面反射时产生的位相随波长的变化关系，h为两参考介质薄膜反射镜之间空气隙的距离，即石英晶片的厚度，n为空气折射率，i为干涉级数，α为光线在反射薄膜表面的反射角度，由于φ₁(λ)、φ₂(λ)为两参考介质薄膜反射镜的位相随波长的变化关系，是已知的，利用(1)式和干涉极大处的波长求出石英晶片厚度h的值；

④将其中一片参考介质薄膜换成待测的介质薄膜，再测量构成的F-P干涉仪的干涉透过率曲线，将(1)式改写成：

这里φ₁(ω)、φ₃(ω)分别对应于已知参考介质薄膜反射镜和待测色散介质薄膜的反射位相随频率变化的关系，从中心波长的相邻透过率极大值处我们可以得到待测薄膜的群延迟：

$\mathrm{\τ}\left({\mathrm{\ω}}_{i,i-1}\right)=\frac{d{\mathrm{\φ}}_3}{\mathrm{d\ω}}{|}_{{\mathrm{\ω}}_{i,i-1}}\≈\frac{{\mathrm{\φ}}_3\left({\mathrm{\ω}}_i\right)-{\mathrm{\φ}}_3\left({\mathrm{\ω}}_{i-1}\right)}{{\mathrm{\ω}}_i-{\mathrm{\ω}}_{i-1}}=-\frac{2h\cos \mathrm{\α}}{c}+\frac{(2\mathrm{\π}-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_1){\mathrm{\λ}}_i{\mathrm{\λ}}_{i-1}}{2\mathrm{\πc}({\mathrm{\λ}}_{i-1}-{\mathrm{\λ}}_i)}---\left(3\right)$

式中：Δφ₁＝φ₁(λ_i)-φ₁(λ_i-1)，ω_i，i-1＝ω_i+ω_i-1/2，利用(3)式计算出待测介质薄膜的中心波长的群延迟。

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