[发明专利]一种测量玻璃表面粗糙薄膜复折射率的方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于光电精密测量技术领域，特别涉及一种测量玻璃表面粗糙薄膜复折射率的方法和装置。

背景技术

复折射率是薄膜的重要光学参数之一，精确测量各种形态薄膜的复折射率仍然是关键的技术问题。测量薄膜材料的折射率及吸收系数的方法主要包括光度法、椭圆偏振测量法、布儒斯特角法、最小偏向角法及全反射法等。光度法利用薄膜的光谱透射率曲线或者反射率曲线来计算薄膜的折射率或厚度，其测量过程需要经过反复迭代运算，当被测薄膜厚度较薄时测量结果会出现较大误差，且只适用于测量弱吸收膜；椭偏法可以同时测量薄膜的折射率及吸收系数，但是要求薄膜的表面必须光滑；布儒斯特角法、最小偏向角法、全反射法通常只能测量复折射率的实部，少有能测量其虚部(吸收系数)，对薄膜的表面平整度也有较高要求。由于受薄膜表面粗糙度的影响，很难直接测量镀于光滑玻璃或载玻片表面的粗糙膜层的复折射率或吸收系数。

针对涂镀于光滑玻璃表面粗糙薄膜的复折射率测量，本发明方法基于棱镜耦合方式，通过棱镜与折射率匹配液的结合，提出了一种棱镜与匹配液结合的粗糙薄膜复折射率的测量方法。克服了常见方法难以测量表面粗糙薄膜复折射率的不足。特别适合于测量氧化物、金属及半导体等不透明或半透明粗糙薄膜复折射率及吸收系数的测量。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种测量玻璃表面粗糙薄膜复折射率的方法。

本发明的另一目的在于提供一种测量玻璃表面粗糙薄膜复折射率的装置。

本发明的再一目的在于提供所述测量玻璃表面粗糙薄膜复折射率的方法的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种测量玻璃表面粗糙薄膜复折射率的方法，包括如下步骤：

(1)将棱镜、匹配液和载玻片组装成复合棱镜，载玻片的一面镀有粗糙的待测薄膜，待测薄膜位于复合棱镜的最底部，即不和匹配液接触；其中，棱镜、匹配液和载玻片的折射率相同；

(2)使用一束激光从复合棱镜的一侧入射到复合棱镜的底面，经粗糙薄膜与复合棱镜的交界面反射后的光束从棱镜另一侧面出射，测量反射光的光强；逐步旋转复合棱镜或改变复合棱镜的入射角，得到反射光强随入射角变化曲线，再与入射光束光强比较，得到待测薄膜光强反射率随入射角变化的反射率实验曲线；利用反射率实验曲线与理论反射曲线进行数值拟合，得到待测薄膜的复折射率，即折射率(复折射率实部)和吸收系数(复折射率虚部)。

步骤(1)中所述的棱镜优选为等边棱镜。

步骤(2)中所述的测量反射光的光强优选为通过光电探测器测量得到。

所述的理论反射曲线通过式(A)计算得到：

其中R^s为光强总反射率，为棱镜和薄膜样品界面的光强反射率，R^s_0,1为空气和棱镜界面的光强反射率。

所述的数值拟合可通过直接迭代法、模拟退火法和单纯形法等进行。

所述的数值拟合好坏的判据由参数E²来评价，其计算公式如式(B)所示：

其中为第i个测量反射率值，是第i个计算反射率值，为所有J个入射角下的反射率平均值；E²值越接近于1，拟合度越高，得到的复折射率值越准确。

所述的玻璃表面粗糙薄膜复折射率的测量方法，更优选包括如下步骤：

(A)调节光源发射的激光束通过旋转载物台的转轴中心并与其垂直，即与旋转载物台平面平行；

(B)放置第一小孔光阑使光束垂直入射小孔中心，滤除边缘光束，再放置起偏器，使光束垂直起偏器通过，并将起偏器调节为TE模式，使光束变为线偏振光，放置半透半反镜，令镜面与光束成合适角度以便反射自准光线，接着放置第二小孔光阑，进一步滤除边缘光束；

(C)选择棱镜，使用折射率与棱镜折射率一致的载玻片，在载玻片上涂镀粗糙薄膜，把涂镀有粗糙薄膜的载玻片的另一面涂上折射率与棱镜相同的匹配液，并紧贴在棱镜的底面上，得到复合棱镜；