[发明专利]SPR相位测量金属薄膜厚度和光学常数SAPSO方法

说明书

本发明公开了一种SPR相位测量金属薄膜厚度和光学常数SAPSO方法，首先用SPR相位测量装置测量在固定波长不同入射角下，单层金属薄膜的干涉条纹信息。通过处理干涉条纹，获得相位差与入射角的关系曲线。然后从包含光学薄膜厚度和光学常数信息的关系曲线中选取相位差数据代入目标函数。最后利用模拟退火粒子群算法对该目标函数进行反演求解，得到单层金属薄膜的厚度和光学常数。通过恢复入射角与相位差关系曲线，对算法返回结果进行分析。本发明的有益效果是：利用粒子群算法的快速收敛能力和模拟退火算法的全局收敛能力，有效地解决了基于SPR相位法的单层金属光学参数的求解问题，为今后测量多层薄膜结构参数提供了一定的指导意义。

技术领域

本发明涉及一种金属薄膜厚度和光学常数的计算方法，特别涉及一种SPR相位测量金属薄膜厚度和光学常数的SAPSO方法。

背景技术

随着纳米级薄膜在微电子、光电子、航空航天、医疗仪器和高分子材料领域的广泛应用，使得薄膜技术已成为当前科技研究和工业生产领域的研究热点。但薄膜技术的不断改进和迅速发展也对薄膜的各种参数提出了更高的要求，比如薄膜的厚度和光学常数对于薄膜的光学特性、力学特性和电磁学特学其到决定性的作用。因此，精确检测薄膜的厚度和光学常数已成为一项至关重要的技术。

目前，相位型SPR传感器由于拥有较高的灵敏度，被广泛地应用于各大领域。在利用单层结构棱镜型SPR应用过程中发现，SPR传感器所镀制的单层或多层金属薄膜的厚度和光学常数对反射光的相位变化有直接影响。因此，本发明在固定波长采集不同入射角下的金属薄膜的相位差信息，通过拟合金属薄膜的角度-相位差曲线就可以反演得到金属膜的厚度和光学常数。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是SPR相位测量金属薄膜厚度和光学常数的SAPSO方法，提供一种仅通过一次计算即可快速检测金属薄膜厚度和光学常数的检测方法，解决了现有金属薄膜参数确定方法不能兼备高效率和准确性的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种SPR相位测量金属薄膜厚度和光学常数的SAPSO方法，包括以下步骤：

1)通过SPR相位测量装置测量在入射光波长固定、不同入射角下的金属薄膜的干涉条纹信息；

2)通过处理步骤1)得到的干涉条纹，获得相位差与入射角的关系曲线，入射角范围为由棱镜-金属膜-空气结构确定的可激发SPR效应的角度范围。

3)从步骤2)获得的关系曲线中选取相位差数据代入目标函数，并预设迭代次数和最小逼近误差值为反演计算终止条件；

4)利用从步骤3)处获得的包含相位差数据的目标函数，采用模拟退火粒子群算法反演金属薄膜的厚度和光学常数；

5)绘制曲线验证：将反演计算所获入射角与相位差的关系曲线与实验中所获得的入射角与相位差关系曲线上设定的某一个或几个特定角度的点的值进行对比，根据终止条件，看特定角度的点的值的逼近程度，若大于终止条件则回到步骤4)继续迭代计算，反之则退出迭代计算并给出计算结果。

步骤3)所述相位差数据包括金属薄膜厚度d和折射率n、消光系数k的光学常数信息。

步骤3)、步骤4)所述目标函数

其中，N_exp是△φ_exp的个数，△φ_exp(i)表示的是从入射角与相位差关系曲线上提取的第i个参考点的相位差，△φ_cal(i,a)是通过反解算法计算得到的相位差值，而a代表的是一个包含需要确定参数的向量，在这里，a＝(n,k,d)^T。

步骤4)中使用的模拟退火粒子群算法中粒子更新速度为：