16薄膜的吸收和散射测量

第七章薄膜的吸收和散射测量薄膜器件的吸收来源于薄膜材料的折射率消光系数以及薄膜界面的污染；薄膜散射损耗来源于界面粗糙度与薄膜体内的折射率颗粒状不均匀性所致。内容激光量热计的基本原理光声、光热偏转法测量薄膜吸收薄膜散射的标量理论和总积分散射测量散射光的矢量理论和角分布测量谐振腔衰荡（CavityRingDown）薄膜损耗检测法薄膜导波传播衰减系数法§7.1激光量热计基本原理基本原理是让一束激光照射到待测样品上，待测样品因吸收热量而温度升高，测量有关的热效应参数，进而推算出样品吸收率的数值。激光量热计分为速率型量热计和绝热型量热计。速率型量热法测试薄膜样品的原理框图R.Atkinson速率型量热计的原理示意图绝热型量热计的原理图§7.2光声、光热偏转法测量薄膜吸收1.光声光谱法2.光热偏转光谱法光热偏转技术的基本原理：当样品吸收激励光后温度会升高，因热传导而在样品及周围介质中形成温度场。折射率是温度的函数，由此产生折射率梯度场。当另一束探测光束穿出该区域时，光线因受到折射率梯度场的影响而发生偏转，该偏转可以用位置传感器探测出来。从偏转值中即可推算样品的吸收系数。1.散射损耗的特点对于常规光学抛光的基底上镀制的光学薄膜元件中的散射损耗一般是很小的（1%）。这是因为薄膜体内的折射率不均匀性一般较小（由于薄膜较薄，对散射的贡献较小，一般不予考虑），常规抛光的基底表明的粗糙度一般可以在50nm以内,表面的散射也较小。但是随着薄膜层数的增加，界面微粗糙度的散射损耗的作用就会增大。因此在激光反射镜等损耗要求高的应用中，散射损耗是一个十分重要的参数。§7.3薄膜散射的标量理论和总积分散射测量光学薄膜的散射可以分为体内散射和界面散射（或表面散射），体内散射起因于薄膜内部折射率的不均匀性（薄膜柱状结构，孔隙和柱体折射率差异很大）。表面散射起因于表面缺陷和表面微观粗糙度。对高精度光学表面上制备的光学薄膜器件，一般薄膜散射均属表面或多层膜界面的微粗糙现象造成的。由微粗糙度引起光散射理论主要有标量理论和矢量理论两种。散射损耗标量理论：研究薄膜在立体角之内的散射光总和——总积分散射（TIS），与薄膜表面微观量——均方根粗糙度之间的关系。4散射损耗矢量理论：弥补了标量理论的不足，在分析计算中考虑了散射光的方位和偏振特性。利用矢量理论能计算出薄膜表面散射光在空间各方向的强度分布图。矢量散射理论是与角度微分散射测试系统相关联的，它能较好体现表面各种空间频率的微粗糙度的大小与状态，能体现更多的表面结构特征。散射损耗测试上的分类散射损耗的特点是薄膜器件对入射光束产生了偏离反射与透射方向的其它杂散光。因此散射光的测试可以分成：–总积分散射损耗测试（测试总散射损耗的大小）–角分布散射损耗测试（测试散射光的空间分布与偏振特性）1.表面微粗糙度的表示将表面的微粗糙度看成是一种随机分布表面函数，设该函数以z(x,y)来表示，对表面的微粗糙轮廓函数进行付氏变化，获得表面微粗糙度的频谱，然后对取付氏频谱振幅的平方，即获得表面微粗糙度的功率谱密度函数(,)xySff薄膜的总积分散射测量从表面微粗糙度的功率谱密度（PSD)函数可以获得两个常用的统计参数，用来表示光学薄膜表面粗糙度的主要特征。（1）均方根粗糙度：（2）相关长度：表示l图7－13银薄膜表面微粗糙度积分散射与波长的关系图7－14高反射膜与F—P滤光片的散射随波长分布关系2.总积分散射测量:用积分球进行相对测量。图7-15积分散射测试系统图7-16椭球面积分散射检测系统Bennet等采用椭球面的测量装置，样品置于椭球面的一个焦点，而接收器置于另一个椭球面焦点上。其它两次曲面反射镜构成的测量总积分散射系统§7.4薄膜散射光的矢量理论和角分布测量矢量散射理论是将各向同性的随机分布粗糙表面看作是许多光栅常数和位相、周期均不同的正弦光栅的两维叠加，散射光的角度分布可以从单个正弦光栅的衍射特性出发进行研究。可以研究不同方向的散射光。§7.5谐振腔衰荡（CavityRingDown）薄膜损耗检测法原理：利用谐振腔的多次反射，外耦合输出的光强下降由腔的总损耗决定，测出空腔衰减时间常数来测算薄膜的损耗。dL2dlLcl是谐振腔腔长。特点：很好的精度和灵敏度，但主要适用于高反射镜的测试。§7.6薄膜导波传播衰减系数法原理：利用薄膜导波的传播衰减可以十分精确地测试单层薄膜的总损耗。图7-23光束在薄膜中形成导波波导结构示意图导波光光强沿Z方向强度变化：0zIIe是导波光的传播衰减系数薄膜的导模传播衰减的检测方法可以采用导波成像分析法。总结