對(duì)高反射率薄膜反射率的測量方法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 對(duì)高反射率薄膜反射率的測量方法和系統(tǒng)設(shè)計(jì) 小組成員：陳杰 2012059010001 吳佳杰20120590100 尹明 201205901000 光學(xué)薄膜，是指在一塊透明的平整玻璃基片或光滑金屬表面，用物理或化學(xué)的方法涂敷的單層或多層透明介質(zhì)薄膜。光照射在光學(xué)薄膜后，會(huì)產(chǎn)生透射，反射，吸收，散射等等性質(zhì)變化。其中反射薄膜正是光學(xué)薄膜應(yīng)用中相當(dāng)重要的一面。通過本學(xué)期物理光學(xué)的學(xué)習(xí)，我們小組對(duì)高反射薄膜的反射率測量產(chǎn)生了濃厚的興趣。在查閱了相關(guān)的資料和論文之后，我們得到了一些成果。我們在查閱資料的過程中發(fā)現(xiàn)，反射膜反射率的精確測定在當(dāng)今光學(xué)工程中有著重大意義，對(duì)于提高鍍膜工藝，改善激光陀螺的性

2、能等等方面起著十分重要的作用。目前測量超高反射率的方法主要有兩類：一類為單，多次反射法，這類方法的測量結(jié)果受光源穩(wěn)定性很大，在其誤差分析中主要考慮光源強(qiáng)度起伏的影響。根據(jù)檢測光束在待測樣品上的反射次數(shù)分為單次反射法，二次反射法和多次反射法。此類方法常用于精度要求不高的光學(xué)實(shí)驗(yàn)，提高測量精度的途徑為改進(jìn)光源的穩(wěn)定性。而另一類更為普遍的測量方法則是以光學(xué)諧振腔為基礎(chǔ)，如光延遲線的測量法，光腔衰減光譜方法及利用光學(xué)諧振腔的精細(xì)度測定的方法等等。該測量方法的精細(xì)度主要取決于對(duì)各種測量方法的誤差分析，理論推導(dǎo)。我們小組對(duì)與測量薄膜反射率提出了以下幾種不成熟的想法，具體如下：一、基于光腔衰減方法的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

3、裝置我們小組首先對(duì)于利用光腔衰減方法測量薄膜反射率提出了一些設(shè)計(jì)。通過測定諧振腔的衰減時(shí)間來確定反射率的方法稱為衰減時(shí)間法，也稱為光腔衰減方法。此方法靈敏度極高。其基本原理見于下圖： 在經(jīng)過小組討論后，我們設(shè)想了一種更為便捷的方法。基本思路是在衰減時(shí)間法測量反射率的實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上加以簡化，即是否能舍掉M1，M與M2構(gòu)成的諧振腔而直接由待測鏡（兩個(gè)）構(gòu)成諧振腔，再由計(jì)算機(jī)對(duì)透射光進(jìn)行處理，求出腔的衰減系數(shù)，進(jìn)而求出反射率。其基本原理如下圖： 由于衰減時(shí)間法測量反射率的靈敏度極高，為10的-6次方量級(jí)，我們設(shè)想的方法即可以降低諧振腔的損耗，提高測量結(jié)果的精確率，不過這種設(shè)想只是主觀推測，具體能否實(shí)

4、際可行還需實(shí)驗(yàn)的真實(shí)測量。誤差：對(duì)于此種方法，誤差的主要來源為諧振腔中的損耗因素即幾何偏折損耗，衍射損耗，腔中介質(zhì)的吸收散射損耗等，與衰減時(shí)間法測量反射率的誤差來源基本一致。精度提高：本方法精度提高的途徑有盡量降低除反射不完全外的其余損耗，并可以將影響較大的損耗考慮到計(jì)算公式內(nèi)。 二、兩次反射測量薄膜反射率 在查閱文獻(xiàn)后，我們了解了單，多次反射法測量反射率的方法，設(shè)I2是無樣品時(shí)的光強(qiáng)，I1是加入待測樣品之后的光強(qiáng)，則樣品反射率和相對(duì)誤差為： 顯然反射次數(shù)越多，測量精度越高。反射次數(shù)少時(shí)對(duì)光源的穩(wěn)定性要求更高，現(xiàn)在假設(shè)有一臺(tái)光學(xué)性能十分穩(wěn)定的光源，我們小組在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款利用二次反射法測量

5、薄膜反射率的實(shí)驗(yàn)裝置。其基本原理見于下圖：上圖測量系統(tǒng)中，精度為10的-2次方量級(jí)，誤差的主要來源為兩次反射角度的微小差異，以及光源的穩(wěn)定性。提高精度的方法有增加反射次數(shù)，此時(shí)要求設(shè)備的角度十分精確，更加穩(wěn)定的光源也能提高精度。 三. 、關(guān)于利用激光發(fā)射器產(chǎn)生的激光，和激光擴(kuò)束鏡，以及鍍有高反射薄膜（待測薄膜）的凹面鏡，和靈敏光測量計(jì)的綜合應(yīng)用測量薄膜的反射率.關(guān)鍵詞：激光，激光擴(kuò)束鏡，匯聚作用的凹面鏡，光強(qiáng)測量計(jì)。 在查閱了有關(guān)資料后，我們小組發(fā)現(xiàn)了一種基于積分球的絕對(duì)反射率測量技術(shù)。詳情如下： 絕對(duì)反射率是區(qū)別于一般的相對(duì)反射率測試方法而提出的，即它的反射率測試的實(shí)現(xiàn)不需要反射率已知的標(biāo)準(zhǔn)

6、樣片。積分球是應(yīng)用于光度測量中的重要光學(xué)附件，它的特性在于具有很好的混光特性，經(jīng)積分球出射的光束認(rèn)為是理想的漫反射光，下面介紹了基于積分球這一光學(xué)特性的絕對(duì)反射率測量原理。積分球又稱光度球，它是一個(gè)內(nèi)壁均勻噴涂具有郎伯漫射特性材料的球形空腔，一般由兩個(gè)半球殼組裝而成。最早在19世紀(jì)90年代用于光源的光度測量，很快捷就在許多方面得到了應(yīng)用。現(xiàn)在它已成為輻射度，光度，色度測量中不可缺少的設(shè)備。積分球所以被廣泛應(yīng)用，本質(zhì)上在于它的混光特性。一束光進(jìn)入積分球后，經(jīng)多次漫反射，就形成一個(gè)理想的漫射源。這樣就可以消除被測樣品的不均勻性和測量器件受光面的不均勻性帶來的影響。另外積分球還是一個(gè)理想的消偏振部件

7、，從而消除了測量中偏振的影響。如上圖所示，一束光通量為0的光輻射經(jīng)開口S2進(jìn)出內(nèi)球半徑為r的積分球內(nèi)，投射在內(nèi)壁S3上。經(jīng)涂層多次漫反射后，除一部分通量經(jīng)開口S2射出外，其余部分則在積分球內(nèi)表面形成均勻的照明。設(shè)積分球內(nèi)壁涂層的反射率為R，則入射光照射到積分球內(nèi)壁一次反射后，留在積分球內(nèi)部的光通量為1 ，則1=R0從積分球開口處射出的光通量為：1=1S2/S=R0S2/S則第一次經(jīng)S2孔出射后積分球內(nèi)的光通量為：1=1- =R0（1- S2/S）同理，經(jīng)積分球內(nèi)壁第二次反射后，從積分球開口處射出的光通量為：2=R1 n=2S2/S=R²0（1- S2/S）S2/S 依次得：n=S2/

8、S Rn0(1- S2/S)(n-1)則從積分球開口處射出的總光通量為：=1+2+n=R0·S2/S·1/1-S2/S則從開口處出射的光照度E為：E=R0/4r²·1/1-R(1-f)式中f為開口面積S2與積分球內(nèi)壁表面積之比即S2/S，從式中可以看出入射光束經(jīng)球壁多次漫反射后整個(gè)球壁上任意一位置的光照度均相等，它與入射光束的光通量 ，涂層漫反射率R 成正比，與積分球的半徑r成反比。嘁出射孔的光通量等于出射光照度與出射孔面積的乘積，因此出射光通量與出射光照度值成正比。對(duì)于實(shí)際使用的積分球，一般都開口三個(gè)，即入射孔，探測器空和樣品孔，因此對(duì)應(yīng)的上式中的參數(shù)

9、f應(yīng)當(dāng)為開口總面積之和與內(nèi)壁表面積的比值。資料顯示，一般用于光度測量的積分球，由于要阻擋光束直接照射到探測器上，一般都在探測器孔加擋屏，從而對(duì)積分球內(nèi)壁均勻性帶來影響，因此要求其開口總面積要小于積分球內(nèi)壁總面積的10%,開口面積越小越有利于積分球內(nèi)光輻射出射度的穩(wěn)定性。同時(shí)，增大積分球的直徑也可以很好的提高積分球內(nèi)光輻射出射度的穩(wěn)定性，其負(fù)面影響是降低了出射孔的輻照度，因?yàn)樗头e分球的直徑的平方成反比。此外，增大積分球內(nèi)壁涂層的反射比，也會(huì)有效地提高出射孔的照度，但會(huì)增加出射孔處輻照度對(duì)涂層的反射比變化的敏感度。實(shí)際中使用的涂層涂料應(yīng)該具有光譜選擇性好，反射比高的特點(diǎn)，常用的積分球涂料主要有氧

10、化鎂，硫酸鋇，聚四氟乙烯等，他們的光譜反射特性在可見光，近紅外相當(dāng)平坦。對(duì)于遠(yuǎn)紅外其涂料則用硫，其在3m12m的平均反射比高達(dá)0.94，只在11.2m處有一吸收帶。資料中的基于積分球的絕對(duì)反射率測試方案：根據(jù)絕對(duì)反射率的測試原理而進(jìn)行的測試方案的設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下設(shè)計(jì)原則：第一：保證兩測試光在入射積分球前的光通量大小相等；第二：對(duì)兩測試光漫反射后的光通量的測量應(yīng)有同一光電探測器來實(shí)現(xiàn)；第三：由于被測樣品的反射率可能很高，兩測試光的光通量差值很小，且要求反射率測試精度越高越好，這就要求光電探測器和相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換電路有很高的靈敏度。根據(jù)測試方案的設(shè)計(jì)原則，提出了利用掃描振鏡對(duì)入射積分球的測試光束進(jìn)行調(diào)

11、制，即由光源發(fā)出的一測試光束經(jīng)過以一定頻率擺動(dòng)的掃描振鏡反射，則反射光束在一定角度內(nèi)實(shí)現(xiàn)掃描，并使光束分別掃描至積分球內(nèi)壁和被測樣品上，這樣既保證了兩測試光束在入射積分球前的光通量大小相等，而且兩測試光束在積分球內(nèi)分時(shí)發(fā)生漫反射，則在積分球探測器孔處安裝一個(gè)光探測器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)兩測試光束光通量的分時(shí)測量。由于被測樣品反射率可能很高，兩被測光束的光通量差值很小，在選擇好靈敏度很高的光電探測器后還必須有靈敏度很高的光電轉(zhuǎn)換電路來分辨兩測試信號(hào)。當(dāng)采用掃描振鏡后相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了以掃描振鏡的掃描頻率來對(duì)測試光束進(jìn)行調(diào)制，因此被測光信號(hào)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換電路后得到的是以掃描振鏡的掃描頻率變化的電壓信號(hào)，對(duì)于這種微小

12、差別變化的電壓信號(hào)通過鎖相放大器來測量其微小差值能夠獲得更高的測試精度，這也是采用掃描振鏡對(duì)測試光是進(jìn)行調(diào)制的另一個(gè)重要原因。若通過光電轉(zhuǎn)換電路先測得入射光束直接經(jīng)過積分球內(nèi)壁漫反射的測試光束對(duì)應(yīng)的電壓值U0，利用鎖相放大器測試得到兩測試光是的微小電壓差值U后則對(duì)應(yīng)的被測樣品的反射率值Rc為:Rc=（Uo-U）/U0樣品的反射率越高，光通量的差值越小，電壓差值U也越小，因此要求光探測器和光電探測電路有很高的靈敏度和穩(wěn)定性，才能更好的實(shí)現(xiàn)反射率精確測量。因此，本課題提出的絕對(duì)反射率測試的總體方案為：基于積分球的理想漫反射光學(xué)特性，利用掃描振鏡將入射光調(diào)制為在一定的小角度范圍內(nèi)的周期性掃描，使入射

13、光束分別入射到積分球內(nèi)壁和被測式樣上，利用光電探測器探測入射光束直接射入積分球經(jīng)漫反射后的光通量和入射光進(jìn)入積分球經(jīng)被測量樣鏡反射后再被積分球漫反射的光通量，然后經(jīng)光電探測器和光電轉(zhuǎn)換電路接受，并由鎖相放大器精確測試得到由于被測樣品反射率引起的微小差別電壓信號(hào)，從而最終得到被測樣品的反射率值?；镜臏y量原理框圖如圖:需要注意的是由于鎖相放大器的工作原理是只對(duì)參考信號(hào)同頻率同相位的測試信號(hào)進(jìn)行鎖相和放大，因而會(huì)有很高的檢測靈敏度。易知測試的輸入信號(hào)變化頻率與掃描振鏡掃描頻率一致，因此鎖相放大器的參考頻率應(yīng)為掃描振鏡的掃描頻率。對(duì)于光源的選擇，只要求光源具有很好的穩(wěn)定性和均勻性即可，因此選用常用的

14、氦氖激光器發(fā)射的單色激光光束即可，在進(jìn)行多個(gè)波段的反射率測量中光源可以更換為光柵單色儀來實(shí)現(xiàn)。在這一反射率測量方案中，對(duì)測量精度和穩(wěn)定性影響最大的是光束經(jīng)掃描振鏡反射面引入的兩測試光的光強(qiáng)差別，因?yàn)閽呙枵耒R的反射鏡是鍍有鋁膜的高反射鏡，當(dāng)一束光經(jīng)擺動(dòng)的反射鏡反射時(shí)，對(duì)應(yīng)的兩束反射光的入射角不同，則反射光束對(duì)應(yīng)的反射率也不同，因此兩反射光的光前也不同，而本測試方案要求入射積分球的兩路測試光束光照度值完全相等即光通量完全相等，因此必須消除因光束對(duì)振鏡入射角不同而引起的這一誤差。系統(tǒng)精度分析：在對(duì)光學(xué)測試系統(tǒng)和光電檢測點(diǎn)了點(diǎn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了整體測試系統(tǒng)的連調(diào)和整體測試電路的搭接調(diào)試，并進(jìn)行了相關(guān)

15、的測試實(shí)驗(yàn)。測試電路主要包括光電轉(zhuǎn)換電路，帶桶濾波器和前置放大電路，當(dāng)測試信號(hào)為微小差別信號(hào)且不易準(zhǔn)確測量時(shí)，則通過鎖相放大器來實(shí)現(xiàn)微小差別信號(hào)的檢測。在整體測試系統(tǒng)的連調(diào)上需要注意的幾點(diǎn)有：保證測試光束在毫無遮擋的條件下入射至積分球內(nèi)。保證入射光束是以小角度入射至積分球內(nèi)壁和被測鏡片上，保證經(jīng)鏡片反射的反射光束照射至積分球內(nèi)壁而不是由入射孔出射。保證兩測量光束經(jīng)積分球漫反射的光輻射量都均勻的等概率的由光探測器接受，最后還要保證測試環(huán)境的空氣潔凈，減少激光傳輸過程中由于空氣中的微粒引起的激光散射損耗。測試應(yīng)該在暗室條件下進(jìn)行，盡量減少環(huán)境光引起的噪聲影響。為最大限度減小噪聲，光電探測器與積分球

16、的接地端應(yīng)連接在一塊。在進(jìn)行這一微小差別信號(hào)測試之前，應(yīng)先對(duì)靜態(tài)的光功率大小用光功率計(jì)測試，再由測試電路測試其靜態(tài)直流輸出電壓大小，使輸出電壓小于運(yùn)放的最大輸出。在實(shí)驗(yàn)測試中設(shè)定掃描振鏡的掃描頻率為100hz。影響測試光路系統(tǒng)的誤差因素主要有掃描振鏡的反射所引起的誤差和光程不相等所引起的光能量的不等。掃描振鏡所引起的誤差主要是因掃描振鏡的擺動(dòng)而使激光的入射角不相等而引起的反射率不相等的誤差，對(duì)于直接以小角度擺動(dòng)的情況，當(dāng)入射角小于5°，振鏡擺角小于0.5°時(shí)，振鏡的反射率誤差小于0.2·10(-4).而當(dāng)對(duì)振鏡的入射方式采用改進(jìn)之后的光路時(shí)，振鏡的擺動(dòng)并沒有改變?nèi)?/p>

17、射角，反射率也不會(huì)發(fā)生變化，因而不會(huì)引入誤差。光程不相等引起的誤差主要是指兩測試光束分別照射到測試樣品和積分球內(nèi)壁上的光程不相等引起的光能損耗誤差，該誤差的大小通過實(shí)驗(yàn)測試來進(jìn)行了確定，具體測試方法為使用標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)對(duì)沖激光器發(fā)出的激光束在不同的傳輸距離處進(jìn)行測試，在距激光器1m處的光功率值為2.635mw，在1.2m處測得光功率值為2.633mw，測試發(fā)現(xiàn)由光程不等引起的相對(duì)誤差很小只有0.08%，因此可以忽略其對(duì)整體測試系統(tǒng)的影響。測試電路系統(tǒng)的主要誤差有光電探測器本身特性所引起的噪聲，由本文上面的分析可知，測試系統(tǒng)各部分對(duì)測試結(jié)果的誤差中和小于萬分之一，但是與實(shí)際實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果相比，測量精

18、度只有0.05%。因此影響測試系統(tǒng)的測試精度的主要誤差為測試電路系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差。資料中的方案完成了測試光路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和搭建，主要包括積分球個(gè)參數(shù)的設(shè)計(jì)和制作，掃描振鏡的選擇和調(diào)試，掃描振鏡擺角的確定以及掃描振鏡與積分球相對(duì)位置的確定。并設(shè)計(jì)和制作調(diào)試了測試電路系統(tǒng)，研究探索了減小測試電路噪聲的技術(shù)放大和措施，并應(yīng)用于本測試電路中有效的降低了電路噪聲，使用鎖相放大器很好的提高了測試的準(zhǔn)確性和可靠性。進(jìn)行了整體測試系統(tǒng)的調(diào)試，選取反射率已標(biāo)定過的測試樣品，對(duì)樣品進(jìn)行測試，驗(yàn)證測試系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確度，對(duì)測試系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)并能很好的達(dá)到測試重復(fù)性的基礎(chǔ)上，再標(biāo)定系統(tǒng)的測試精度，最后分析驗(yàn)證了影響測試精

19、度的各主要誤差因素。該設(shè)計(jì)通過基于積分球的反射率測試方法的實(shí)驗(yàn)探索性研究，完成了相應(yīng)的反色好了測試裝置的搭建和調(diào)試。在對(duì)實(shí)際樣品測試的基礎(chǔ)上給出了系統(tǒng)的測量誤差為0.05%，分析驗(yàn)證了影響精度的主要誤差因素，主要有：掃描振鏡的反射所引起的誤差，主要是掃描振鏡反射率的不穩(wěn)定行一如很大的隨機(jī)誤差；測試電路系統(tǒng)中雖然光探測器本身噪聲對(duì)測試電路有影響，但引入的誤差很小，主要誤差是整體測試電路的系統(tǒng)誤差，產(chǎn)生的主要原因是測試光路系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，測試環(huán)境不夠潔凈雜光影響，集成運(yùn)放和電路自身的噪聲等造成了測試系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差較大，還有就是測試電路系統(tǒng)的靈敏度不高，使得鎖相放大器提取的微小差別電壓信號(hào)太小，很容

20、易被系統(tǒng)誤差所淹沒，導(dǎo)致測試精度的有限。通過對(duì)該反射率測試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)很好的驗(yàn)證了該剛方案的可行性。該系統(tǒng)有待提高的方面有：1，為了進(jìn)一步提高測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可以對(duì)測試光路系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，由于在積分球的設(shè)計(jì)中希望能測試的鏡片的尺寸范圍較大，因此測試孔開孔有些偏大，引入了不必要的環(huán)境誤差，因此最好將積分球開孔孔徑變小，測試孔最后能將積分球因有一定厚度而引入的臺(tái)階通過結(jié)構(gòu)的改進(jìn)將其消除，從根本上消除測試中出現(xiàn)的尖刺現(xiàn)象，另外對(duì)于測試孔位置們最后通過光路的轉(zhuǎn)折，將其調(diào)整積分球正上方，使測試鏡片能夠很方便的置于測試孔處。2，若將積分球改為容易打開閉合的形式，該測試系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)薄膜吸收和散射的測量

21、，但是由于測試光強(qiáng)很微弱，必須更換光探測器來實(shí)現(xiàn)吸收和散射的測量。3，通過對(duì)測試電路系統(tǒng)的改進(jìn)優(yōu)化，講測試的電壓信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路變?yōu)閿?shù)字量，利用單片機(jī)進(jìn)行控制和計(jì)算，將測試的最終物理量反射率值通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理顯示模塊直接顯示處理，并完成最終的測試精度標(biāo)定，使測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)儀器化。在歸納總結(jié)了上述方案后，我們小組在它的基礎(chǔ)上進(jìn)行了自己的拓展和設(shè)計(jì)，得到了以下改進(jìn)方案：實(shí)驗(yàn)原理：利用激光器發(fā)生產(chǎn)生的激光，經(jīng)過激光擴(kuò)束鏡的作用，讓其變成出射的平行光，在利用鍍膜的凹面鏡對(duì)其進(jìn)行匯聚作用，匯聚到焦點(diǎn)處，再利用光強(qiáng)測量計(jì)對(duì)其進(jìn)行測量，通過反射光與原光強(qiáng)的比值，從而測得反射率。激光擴(kuò)束原理衍射通常我們以

22、光束的發(fā)散參數(shù)作為完美的高斯激光束的特征。發(fā)散是指光波在其空間傳播過程中以一定角度展開。甚至完美的沒有任何異常的光線也會(huì)由于衍射效應(yīng)經(jīng)歷某些光束的發(fā)散。衍射是指光線在被不透明的物體，比如刀鋒切斷的時(shí)候產(chǎn)生的彎曲效應(yīng)。展開（spreading）產(chǎn)生于在切斷的邊緣發(fā)出的次級(jí)波面陣。這些次級(jí)波和主波會(huì)發(fā)生干涉，同時(shí)相互也會(huì)產(chǎn)生干涉，在某些時(shí)候就會(huì)形成復(fù)雜的衍射圖案。衍射使得完美的校準(zhǔn)光束成為不可能，或者說不能夠?qū)⒐馐劢沟綗o限小的點(diǎn)。幸運(yùn)的是衍射的效果是能夠被計(jì)算的。因此存在著可以預(yù)知對(duì)于任何衍射極限的透鏡光束被準(zhǔn)直的程度和光斑大小的理論。我們現(xiàn)在考慮一束這樣由低功率TEM00氣體激光器產(chǎn)生的光束，光腰為S0。這樣我們就能夠假定它能夠達(dá)到衍射極限同時(shí)能夠不用考慮任何熱透鏡效應(yīng)。它將會(huì)顯現(xiàn)出由于衍射引起的光腰的彎曲，或者說展開效應(yīng)：S(x)=S01+(x/S0²)²½在這里x是指離開光源的距離，是指激光波長，如果x/S0&