[发明专利]一种光学薄膜超宽带光学常数测试方法

说明书

本发明公开了一种光学薄膜超宽带光学常数的测试方法，用于计算光学薄膜材料在可见光到红外波段的全谱段光学常数，尤其是针对0.3um‑20um波长范围内，通过使用基底‑薄膜透明区的光谱透射率和非透明区的光谱反射率相复合作为目标光谱，以振荡子模型作为光学常数的色散模型，通过目标光谱数据反演计算出薄膜的超宽带光学常数。本方法对于薄膜材料具有普适性。

技术领域

本发明属于光学薄膜技术领域，特别是有关光学薄膜特性的检测技术，涉及一种光学薄膜超宽带光学常数测试方法。

背景技术

在光学薄膜技术领域，光学常数是多层膜设计和光学性能表征的重要参数之一，对光学常数的表征和测量是首要工作之一。近年来，随着超宽带光学薄膜应用的发展，如宽带固体调谐激光技术(400nm-1200nm)，宽带红外光谱成像技术(0.9um-14um)，三光复合探测技术(0.7um-12um)等，对光学薄膜的研制提出了宽带甚至超宽带的需求。因此，超宽带(0.3um-20um)光学薄膜光学常数的表征和测试工作尤为重要。

目前，可用于光学常数测量的方法较多，主要有反射光谱/透射光谱极值法、反射光谱/透射光谱的反演计算法、反射椭圆偏振反演计算法，色散傅里叶变换光谱法、衰减全反射法、光声法、光热法、布里渊散射法等。随着光谱测量精度的提高和非线性数值优化技术的发展，基于全光谱和椭圆偏振光谱的光学常数反演技术成为薄膜光学常数标定的主流技术。尽管薄膜光学常数的表征和测量方法较为完备，但是其测量的带宽往往决定于目标光谱的测量带宽，在一组测量光谱数据下得到超宽带光谱的数据仍是难题。目前典型的商用光谱仪器与椭偏仪能够测量的光学波段范围如下表所示：

基于上述仪器测量的光谱范围，若实现超宽带光学常数的表征，一般采用分段光学常数的测试，然后进行光学常数对接，这样的做法实际上分别对不同波段局部光谱进行光学常数测试，缺少全局的综合误差评价，如折射率的非均匀性、反常吸收区、薄膜水含量等，因此，分段表征和测量再对接薄膜光学常数不具有合理性且在对接处易造成较大误差。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何在单一薄膜样品上实现从紫外到红外波段内薄膜光学常数统一测试的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种光学薄膜超宽带光学常数测试方法，其包括以下步骤：

S1：首先将预设厚度的光学薄膜沉积在硅基底上；

S2：测量所沉积光学薄膜紫外到近红外波段椭圆偏振光谱、红外波段的透射光谱；

S3：根据光学薄膜的光谱数据，选择一段薄膜的透明区，采用Cauchy模型计算得到该波段范围的薄膜折射率n和厚度d₁；

S4：建立光学常数从紫外到红外宽光谱范围的光学常数模型，在吸收光谱区添加介电常数振子模型，振子的中心频率为吸收的位置，振子的幅度和宽度根据光谱数据进行调整；

S5：将紫外到近红外波段椭圆偏振光谱和红外波段的透射光谱作为复合目标，对薄膜光学常数从紫外到红外全光谱范围内进行反演运算，其中厚度的初始值设定为d₁，预设评价函数MSE，MSE是测量值与理论模型计算值的均方差，对MSE进行拟合，使MSE越小越好；

S6：根据MSE拟合结果，得到介电常数模型的各个参数，进而得到紫外到红外超宽带光谱范围内薄膜的光学常数，包括折射率n、消光系数k和薄膜物理厚度d。

其中，所述步骤S3中，Cauchy模型见公式(1)，式中n为折射率，An，Bn和Cn为Cauchy模型参数，λ为波长；