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1、薄膜的吸收和散射测量内容 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（Cavity Ring Down）薄膜损 耗检测法 薄膜导波传播衰减系数法激光量热计光声、光热偏转法测量薄膜吸收光热偏转法散射损耗的特点 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） 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（max/222 1s s snTTTn=+2/4min42224(1)fsffssn nTTnnnn=+fsnnmin/222 1s s snTTTn=+2/4max42224(
2、1)fsffssn nTTnnnn=+当薄膜没有吸收时：k0。有：时，时，0k 2 0 min2 1216()sf fn n nTCC=2 0 max2 1216()sf fn n nTCC=+当薄膜有吸收时, 10()()ffsCnnnn=+20()()ffsCnnnn=注意：minmax ffTT与均为薄膜的反射率，要扣除基底后表面的影响薄膜折射率的非均匀性同时测出薄膜的反射光谱Rf(l)与透射光谱Tf(l)（1）nsnin1这样，以b为初始值，利用测试的T与R，对（1）至（4）公式进行 迭代，最终得到薄膜的折射率(ni与n1)以及消光系数k与厚度d（2）（3）（4）从透射或反射光谱的数值
3、反演法可以应用计算机，用数值计算的方法，拟合测试获得 的薄膜光谱透射率曲线的方法，反演出薄膜的光学常数。1.步骤1：确定薄膜的折射率色散模型2.步骤2：确定评价函数3.步骤3：应用测试光谱值进行优化使评价函数值最小。4.步骤4：依据最小评价函数值时的优化得到得折射率色散系 数，计算出薄膜的折射率与厚度。exp1112()( , , ( ),)()()jiigcalciTTd EnA B CMetric =+表面等离子激元法表面等离子激元（或表面等离子波，简 称SPW）是一种存在于两个界面之间的 表面波，它在垂直于界面的方向上迅速 衰减，而在平行于界面的方向以一定的 速度传播。 采用Kretsc
4、hmann结构来激发表面等离 子体共振，P偏转的光束从棱镜入射， 并在镀有薄膜的底边上反射后，从棱镜 的另外一侧出射。调节入射光的入射 角，可以测试到反射光强随入射角的变 化，在入射角大于棱镜全反射角到900 入射角的角区域内，存在一个角度，这 个角度的反射率急剧下降，入射光全部 或部分被耦合入表面等离子激元波，我 们就可以根据测得的对应于该测试薄膜 产生等离子激元的角度，来反推薄膜的 光学常数。产生等离子激元时有条件Rejm sp jmkc =+102sinspk=21m0测得：P偏振光测试样品准备 棱镜 根据空气折射率设计金属薄膜的厚度 镀制该金属薄膜 在金属薄膜上镀制要测试的介质薄膜 测
5、试SPR1m31=35.2?=632.8nm，=3.19，金属银膜层厚度d=50nm，=-18+0.5i，。就是此结构下P波的反射率和透射率曲线，入射角为时，产生表面等离子体共振，反射光能量急降，形成一个反射极小峰。SPR测试仪器 表面等离子激元法是一种非常 灵敏的超薄薄膜或金属薄膜光 学常数的检测方法，可以高灵 敏地检测出很薄的（几十埃） 薄膜的光学折射率与厚度，但 是它对薄膜的微弱吸收并不敏 感。因此，它适应于对一些超 薄薄膜的光学常数的检测。 金属薄膜测试：将金属薄膜制 备在棱镜的底边，然后放在上 述的实验系统中测试出反射率 的SPW峰，然后取在SPW峰的对称角度取三个点的反射率 值应用
6、反射率的计算机反演技 术，就可以方便地确定金属薄 膜的n-ik与厚度d。阿贝法测薄膜的折射率阿贝法测薄膜的折射率001111()/()0coscoscoscosp iBiBnnnnr=+=0110coscosiBnn =011sinsiniBnn=1=tgiBniB阿贝法（又称布儒斯特角法）是基于光波在界面上的布儒斯特效应而建立的薄膜光学常数测试方法。 基本原理：当一束p偏振平行光以某一角度入射时，空白基板表面与镀模表面的反射率是相同的。这个特殊的入射角叫做膜层的布儒斯特角原理1=tgiBn012 21 12()=90()B pBiB Btgrtg=+012 1 12()=90()B fsBi
7、B Btgrtg=+0 22 0 22(90)() (90)()iBiB fsis iBiBtgtgrrtgtg =+ifrfsrisr11()0 ()iBB if iBBtgrtg =+仪器样品必须制备成一半镀膜一半不镀膜的形式，然后在检测系统中，常用测试不同入射角的基本表面反射与薄膜表面反射率比较的方法，确定反射率相等时的入射角度，进而获得薄膜的折射率。该方法得精度，由角度测量精度决定，所以可以方便地测到0.01左右得精度与厚度无关，仅仅测折射率。如果膜有弱吸收，测试得折射率得值偏低。P偏振光椭偏测试法 椭偏光 一束圆偏振光斜入射到薄膜表面，经薄膜反 射后，反射光一般为椭圆偏振光，这是因
8、为，倾斜入射的薄膜反射系数sprr所以我们可以通过测试反射椭偏光的椭偏参数， 反算出薄膜的光学常数n与d椭圆偏振光法2 12 2 121i pp rpipi pprr eEEr r e+=+2 12 2 121i ss rsisi ssrr eEEr r e+=+22 1212 22 12121 1rpii pipppiss ii rssppssisE rErr er r etg eErr r err eE +=+i?1psrtgr=为P光反射位相与S光反射位相之差， 称和为椭偏参数 若能从实验测出和的话，原则上可以解出n2和 d (n1、n3、1已知)，根据公式，推导出 和与r1p、r1s、
9、r2p、r2s、和的关系1 22222 12121212 2222 121212122cos212cos2 12cos22cos2ppppssssppppssssrrr rr rr rtgr rr rrrr r+=+22 211121 2222 12211221(1)sin2(1)sin2 (1)(1)cos2(1)(1)cos2ppssppppssssrrrrtgtgrrrrrrrr =+厚的金属薄膜 椭偏法可以方便测试金属薄膜的折射率n与k。对 于厚的薄膜，有关系：22 2222 0002cos 2sin 2sinsin4sin()sin1(1 sin2cos )inikntg=+22 2
10、2222 0002cos 2sin 2sinsin1(1 sin2cos )nkntg=+222 000 2sinsin4sin2(1 sin2cos )ntgnk =+厚的金属薄膜（不透过光，即膜层底部的反射远远小于膜层表面的反射光强 1/50时，如对于金属银薄膜可见区60nm就可以视为厚膜，铝薄膜30nm就可 以视为厚膜）椭偏参数多解 在一个膜厚周期内， 椭偏法测量膜厚有确 定值。若待测膜厚超 过一个周期，膜厚有 多个不确定值。透明 介质薄膜的椭偏参数 与薄膜折射率与厚度 之间的关系如图，可 以看出厚度超过一定 值之后的多解现象。椭偏仪 消光型与光度型椭偏仪椭偏法测试的特点 高灵敏度 薄膜
11、可以很薄 可以通过多角度测试，获得更多的信息 可以有光谱椭偏仪 可以分析介质与金属薄膜 可以分析各向异性的薄膜波导法04cos222fmfsfn dm=1/222 10 022m f fmNntgnN=1/222 1 22ms fs fmNntgnN=1/2222 10 022 0fm f fmnNntgnnN=1/2222 1 22fms fs sfmnNntgnnN=TE模TM模其中：m为该导波的模式数，为大等于0的整数sinmfmNn=常称为导波的有效折射率2sinmfmn=则称为导波的传播常数，即沿z方向的波矢 薄膜越厚，其所能容纳的导模数目越多 大模数的导模对应的角越小 存在最小厚度
12、，当薄膜小于该厚度时，薄 膜之中不可能存在导模 两种偏振模式的导模传播常数是不同的m222 000sin(sincossinsin)mpmmpppmk nk nAAnn=+在薄膜样品表面放置一块耦合棱镜，由于光学隧道效应，发生全反射时，满足耦合条件的入射光将导入被测薄膜。检测和分析不同入射角的出射光，将会得到一个反射率曲线，通过测量反射率曲线的下降峰的位置，可以确定波导膜的耦合角度，从而根据波导模式的色散本征方程求得薄膜厚度和折射率的一种接触测量方法。棱镜的折射率要大于被测薄膜的折射率，薄膜的折射率要大于基底材料的折射率，这样在棱镜下面空气、被测薄膜和基底将构成 一个三层波导结构薄膜参数的求解
13、 设测得薄膜TE模式的两个模 式的 因此 可以建立四种个方程， 四种组合求出薄膜的折射率 与厚度 如果 两个TE模式计算的折射 率与两个TM模式计算的折射 率不同，则说明薄膜存在各 向异性01TETE与M01TTM与导波法的特点 精度高 有可能测到薄膜的各向异性 需要薄膜有高的折射率 需要薄膜有一定的厚度泄漏模波导法 对于折射率低于基板的薄膜也可以用波导 法，但这时是泄漏模。导模方程为：04cos222fmfsfn dm=2fs= 其它的均与前面导模导波法相同，测试方法也一样膜厚测试 干涉法是利用相干光干涉形成等厚干涉条 纹的原理来确定薄膜厚度和折射率的 多光束干涉仪采用了一个F-P干涉器装置
14、与显微系 统结合，形成多光束等厚干涉条纹，其测量精度 达到1001000分为反射式和透射式 两种结构，如图台阶仪法 用轮廓仪测试带有台阶的薄膜，以获得薄 膜的机械厚度。小结 光学薄膜的常数主要包括折射率与消光系 数以及薄膜厚度 色散是薄膜折射率的基本特性 各向异性与非均匀性一般是在特殊需要的 场合加以考虑。 各种方法均有一定的适应范围，注意各种 方法的限制与短处。薄膜透射率和反射率测量薄膜透射率和反射率测量高反膜1000.011001200130014001500.090.092949698100.0nm%R黄金镜面黄金镜面黄金镜面黄金镜面 镀膜镀膜镀膜镀膜 vs. vs. 未镀膜未镀膜未镀膜
15、未镀膜减反膜600.07008009001000110012001300140015001600.00.001.02.03.04.05.06.07.00nm%RBK7 BK7 玻璃上的防反膜玻璃上的防反膜玻璃上的防反膜玻璃上的防反膜特定的颜色反射300.04005006007008009001000.00.0102030405060708090.0nm%T反射红和反射红和反射红和反射红和蓝色蓝色蓝色蓝色多层镀膜多层镀膜多层镀膜多层镀膜内容 分光光度计的基本原理 薄膜光谱透射率的测试 薄膜反射率的测量 激光谐振腔测高反射镜的反射率与损耗分光光度计的基本原理 分光光度计的分类： 色散型分光光度计 借助于色散元件实现光谱分光 可见光区，近红外区 干涉型分光光度计 依靠干涉效应实现光谱计算 红外区色散型分
