光学薄膜的特性检测

光学薄膜的特性检测第三组 徐彩霞 李佳 张琨 张立宏 路高原

光度法测量薄膜的光学常数 所谓光度法，指的是通过测量样品的反射 率和透射率，经过计算，求出光学常数的 方法。 这里的光学常数一般是指薄膜的折射率和 消光系数。这种方法虽然精度不是很高， 但已经能满足设计和制备的要求，所有得 到广泛的应用

利用反射率求折射率 考虑透明膜的情况，也就是在考虑的波段内，均 匀膜层对光没有吸收。 假定薄膜的折射率没有色散 在膜厚为λ/4奇数倍的那些波长上，其反射率为

(n / ns ) no 2 Rm [ 2 ] (n / ns ) no2

式中，n是膜层的折射率， ns是基片的折射率，no是入射媒质折射率

利用反射率求折射率 于是测量折射率就成了简单的事情，只需要读取 极值反射率，然后从上式求解n

n

(1 Rm )ns no 1 Rm 4 [2(m 1) 1]

同时

nd (2m 1)

'4

λ和λ’是两个相邻的极大(或极小)反射率波长

利用反射率求折射率' ' 可求得薄膜厚度d为 d ( ) ' 2n ( )

上面没有消除基片背面反射的影响。 要做到这一点，可将基片做成楔形，或将基片背面 磨毛、涂黑。或者作以下的修正

RF Ro Rm 1 Ro (2 RF )Ro是基片背面反射率， RF是光度计实测的反射率值

将Rm带入上面求得n

利用透射率求折射率 测量透射率时，修正式为

Rm (2To / TF 1 To ) / (2To / TF 1 To )To是未镀膜前基片的测量投射率； TF是膜厚 λ/4奇数倍时测量的极值透射率 当nd等于λ/4的奇数倍时，上式透射率取得极值

4no n ns T 2 2 (n no ns )

2

利用透射率求折射率 2 2 2 n no ns 1 ( 1) 1 Tm Tm 1 2

光经过镀膜基片的透射率为

TT 1 2e TF 2 ab 1 R1 R 2e式中，T1,R1分别为镀膜表面的投射率和反射率； T2,R2分别为基片-空气表面的透射率和反射率；a 和b为基片的吸收系数和厚度。

ab

利用透射率求折射率光经过清洁基片的透射率为

T e To 1 R e所以 于是得

2 2 ab 2 2 2 ab 2

TF T1 (1 R e ) T1 To T2 (1 R R e ) T2

2 2 ab 2 2 ab 1 2

2 TF TF no ns TF T1 Tm T2 (1 R2 ) 1 To To no ns To

利用透射率求折射率 上式求出Tm,而后带入上面式子便得到n 这种方法不仅校正了基片背面的吸收的影响，而 且由于采用比较法测量，减小了光度计的测量误 差。

前面我们假定膜层没有吸收，实际透明膜或多或 少会有一些吸收 。可采用多次反射，通过延长光 学路径的办法，便能测量若吸收的吸收系数

吸收系数的测量这个装置由完全透明的平行平板做成，选择平 板折射率no和角度i,以保证空气中能发生全反 射，若平板长度为L,厚度为do

吸收系数的测量在膜层中的传播路径为 ' d dn d' 1 cos (n'2 sin 2 i ) 2

n n no'

平板/膜层内表面的反射系数为ρ

1 sin 2 (i ) sin 2 (i ) 1 2 2 2 sin (i ) sin (i ) 由于膜层是吸收的，则光在膜层中每来回一次光强度就衰减一次 ' 2 dn exp( d ) exp( 2 d ' ) exp 1 '2 2 2 (n sin i)

吸收系数的测量于是经过2N次反射后从平板射出的光强变为I2N2 (1 2 ) exp( d ) I o (1 R) 1 exp( d ) 2N

令

(1 2 ) exp( d ) T2 N 1 exp( d ) '2 2 n sin i 1 2

2N

则可求出α为

2n d

'

N 1 2 T21/2 N ln 1/2 N T2 N

薄膜折射率的测量布儒斯特角方法布儒斯特定律

n1 n2

b

tan b n2 / n1

当线偏振光入射到折射率为 n2的介质表面上时，如果偏 振光平行于入射面，若入射 角为布儒斯特角b,则入射 光将不发生反射而全部透射。 因此若入射角，直到反射光 强为零时，得到布儒斯特角， 从而计算介质的折射率n2。 利用这种方法可以测量只有 介质的折射率。薄膜的折射 率也可以这样的到。

薄膜折射率的测量布儒斯特角方法

用这种方法测量的精确度较低，因为入射波虽然 在薄膜上表面不发生反射，但是在薄膜与基片的 界面上仍有反射光透过薄膜折射进入空气，从而 干扰测量。为了解决这个问题设计了如下的一种 镀膜形式。 ii

p

薄膜折射率的测量布儒斯特角方法当用线偏振光入射时，迎着反射光观察基片表面，由于 膜层和玻璃表面的反射系数不同，所以能够看见镀膜区 与不镀膜区域的分界线。当光线的入射角等于布儒斯特 角时，膜的上表面没有反射光，但是在膜的后表面会有 光被反射回来。现在用菲涅尔公式，膜层与玻璃上的振 幅反射系数为

rp

ng cos i n cos ig

ng cos i n cos ig

in p ng i ig

ng为基片玻璃折射率，i为介质膜 射向基片的入射角，ig为基片中的 折射角。

薄膜折射率的测量布儒斯特角方法当入射介质薄膜光线的入射角为b时，应用入 射角和折射角互余和折射定律有rp ng cos b cos ig ng cos b cos ig

b bn ng

而入射波在空气与基片界面的反射系数 为 ng cos b cos ig 2 rp 2 ng cos b cos ig 2

从上述两式可以得到当一布儒斯特角入射时，镀膜区与不 镀膜区域的反射率相同，即，迎着反射光

看时明暗界限将 消失，呈现一篇均匀照明。这样，当用角度为b的入射光入 射时，根据布儒斯特定律即可求出薄膜的折射率。

薄膜折射率的测量准波导法 准波导法是利用棱镜耦合来测量沉积在低折射率 衬底上或者高折射率棱镜底面上的聚合物薄膜的 折射率和厚度的一种方法。其实验装置图如下图 所示激光器 偏振片 透镜

薄膜折射率的测量准波导法光波从棱镜射到薄膜中去，形成共振导膜，导膜又经棱镜 耦合射出，透射到观察屏上在观察屏上出现数条明亮的线， 如图2.

图1

图2

每一条亮线代表不同阶m的一个模，其中光斑所在的 亮线是棱镜直接耦合得到的，其它的是由散射产生 的。转动二维平台让光斑依次对准每一条亮线，即 可读出没一个亮线的耦合角θm。

薄膜折射率的测量准波导法现在用折射率为np的等腰直角棱镜做为耦合棱镜，使底部与被测 薄膜紧密接触。设聚合物薄膜的折射率为n,衬底的折射率为ng, 当np>n>ng时，棱镜薄膜衬底就组成一个准波导

设棱镜中光波入射角为θ2,由于导膜的传播并不连续，因而θ2 也不连续，只有在一定角度下才能激发出导膜，棱镜中的入射角 一半较难测量，但是入射到棱镜上的θm是可以精确测量的。设棱 镜底角为ε,则准导膜的有效折射率的实验值可以通过下列式子 计算得到