CN106198454A

CN106198454A - 一种薄膜折射率和色散系数的获取方法

Info

Publication number: CN106198454A
Application number: CN201610465740.1A
Authority: CN
Inventors: 金友良; 宋宝安; 魏凤娟
Original assignee: Ningbo University
Current assignee: Ningbo University
Priority date: 2016-06-22
Filing date: 2016-06-22
Publication date: 2016-12-07

Abstract

本发明公开了一种薄膜折射率与色散系数获取方法，首先利用分光光度计测量得到具有干涉调制现象的透射曲线，然后利用Savitzky‑Golay分段滤波法滤除信号频率5倍以上的高频噪声，得到光滑的透射曲线后再利用循环比较方法获得该曲线的峰谷值数据及其对应的光波长，再利用三阶样条插值的方法分别对离散的峰值数据与谷值数据进行插值，获得连续的随光波长变化的波峰曲线，利用该数据可得到相应光波长处薄膜的折射率，将上述获得的折射率及相应的光波长代入干涉方程得到薄膜厚度，利用薄膜厚度、干涉级次等参数对求得的薄膜折射率进行修正可精确得到不同峰值波长处薄膜的折射率n'(λ)，进一步利用n_g＝n'‑λdn'/dλ得到群速折射率n_g，最后利用D_λ＝c^‑1d n_g/dλ得到该薄膜在不同波长处的色散系数D_λ。

Description

一种薄膜折射率和色散系数的获取方法

技术领域

本发明涉及一种光学材料折射率和色散系数的获取方法，尤其是涉及一种薄膜折射率和色散系数的获取方法。

背景技术

目前，光学领域的各种器件具有微型化与集成化的趋势，其中很多光学元件如光子晶体、光波导、光栅、干涉仪、激光器等都需要集成到一定厚度的薄膜上，形成全光光子芯片，广泛应用在生物传感、光通信及光运算等领域。制备全光器件所使用的薄膜的折射率和色散等数据是影响微纳器件性能的关键参数。故在制备基于薄膜的功能微纳光器件时，需要精确地知道薄膜的折射率和色散系数。

测量薄膜折射率通常使用的方法主要有棱镜耦合仪法和干涉计量法等。棱镜耦合仪对测量折射率大于2.4的薄膜比较困难，而且测量使用的激光波长较少，虽然通过扩展可以增加测量波长数目，但是成本昂贵，因此获得多个波长处的色散系数较为困难。利用干涉法测量折射率需要精确知道薄膜的厚度，而且也同样受制于测量使用的激光波长的数据，也很难获得薄膜的色散系数。故迫切需要开发一种能同时获得薄膜折射率和色散系数的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种成本低，精度高，能够同时精确获得多个波长处的薄膜折射率和色散系数的获取方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种薄膜折射率和色散系数的获取方法，将该薄膜镀在比其厚1000倍以上的无色散的透明玻璃衬底上，薄膜的表面粗糙度小于20nm，薄膜厚度大于600nm，利用测量光谱范围为400-2500nm分光光度计测量得到具有干涉调制现象的透射曲线，然后利用Savitzky-Golay分段滤波法滤除信号频率5倍以上的高频噪声，得到光滑的透射曲线后再利用循环比较方法获得该曲线的峰谷值数据及其对应的光波长，再利用三阶样条插值的方法分别对离散的峰值数据与谷值数据进行插值，获得连续的随光波长变化的波峰曲线T_M(λ)与波谷曲线T_m(λ)，将与确定的光波长值相对应峰值数据T_M及谷值数据T_m代入公式中即获得相应光波长处薄膜的折射率n，s＝1.45是衬底的折射率，将上述获得的折射率及相应的光波长代入式中获得多个峰值波长处薄膜的厚度，求几何平均得到式中λ_i，λ_i+1是相邻两个透射峰值处对应的光波长，n(λ_i)，n(λ_i+1)相应峰值波长处对应的薄膜折射率，i为峰值序数，将薄膜厚度折射率n(λ_i)及相应的光波长λ_i代入干涉方程2nd＝mλ中得到干涉级次m，取m值为离其最近的整数或半整数m'，然后再次将薄膜折射率n(λ_i)、干涉级次m'及相应的光波长λ_i代入干涉方程得到相应的薄膜厚度，再次求几何平均得到将获得薄膜厚度干涉级次m'及相应的波长λ再次代入干涉方程即得到峰值波长λ_i处薄膜折射率n'(λ_i)，采用多项式拟合的方法得到薄膜折射率与光波长之间的关系式，进一步利用n_g＝n'-λdn'/dλ得到群速折射率n_g，最后利用D_λ＝c^-1d n_g/dλ得到该薄膜在不同波长处的色散系数D_λ。

与现有技术相比，本发明的优点在于仅需要利用分光光度计获得具有干涉调制的薄膜的透射曲线，便能同时快速获得薄膜的折射率与色散系数，不需要在不同平台间互相切换。本发明的获取方法简单，测量精度高，测量中使用的分光光度计是本领域的常规仪器，容易实现。

附图说明

图1为本发明实施例一中镀在衬底上的薄膜的结构示意图；

图2为利用美国P-E公司的分光光度计Lambda 950测量得到图1所示薄膜的透射曲线；

图3为多个波长处透射曲线的峰值的上下包络虚线；

图4为使用本发明的方法得到的折射率和色散系数的曲线。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：如示意图1所示，在厚度为1mm的透明二氧化硅玻璃衬底上利用磁控溅射的方法镀上厚度为1μm的硫系玻璃薄膜，图中n₀＝1是空气折射率，空气的背景透过率T₁＝1，透明玻璃衬底在测量范围内无色散且吸收系数a_s＝0。利用美国P-E公司的分光光度计Lambda 950测量得到该薄膜的透射曲线如图2所示，上图是测量得到的具有高频噪声的干涉调制透过率曲线，测量过程中切换光栅等动作引起的高频率噪声主要位于透过率曲线中840-900nm区域，而2200-2500nm区域的高频噪声主要是由探测器噪声导致。利用Savitzky-Golay分段滤波法滤除信号频率5倍以上的高频噪声后得到如图2下图所示结果，在该图基础上，使用循环比较的方法获得多个波长处透射曲线的峰值数据T_M(λ)和谷值数据T_m(λ)，如图3所示的上下包络虚线，根据薄膜吸收系数的大小可以将该透射曲线分成三个区域：小于600nm的强吸收区域，600-1200nm区域为弱吸收及中等吸收区域，大于1200nm为透明区域，即该硫系玻璃薄膜对光波长大于1200nm的光线全部透过，对光波长小于600nm的光线几乎全部吸收，强吸收区域干涉调制现象几乎消失，所以无法利用该方法获得强吸收区域的薄膜折射率及色散系数。在弱吸收及中吸收区域、透明区域，透射曲线都具有明显的干涉调制现象，将该区域中的T_M(λ)和相应的T_m(λ)数据代入下式：

n = \sqrt{2 s \frac{T_{M} - T_{m}}{T_{M} T_{m}} + \frac{s^{2} + 1}{2} + \sqrt{{(2 s \frac{T_{M} - T_{m}}{T_{M} T_{m}} + \frac{s^{2} + 1}{2})}^{2} - s^{2}}}

即可得到不同波长处的折射率n(λ)，将获得的折射率及相应的光波长数据代入干涉方程2nd＝mλ得到不同波长处薄膜的厚度求几何平均后可以得到薄膜的厚度进一步将薄膜厚度折射率n(λ_i)及相应的光波长λ_i代入干涉方程2nd＝mλ中得到干涉级次m，取m值为离其最近的整数或半整数m'，然后再次将薄膜折射率n(λ_i)、干涉级次m'及相应的光波长λ_i代入干涉方程得到相应的薄膜厚度，再次求几何平均得到将获得薄膜厚度干涉级次m'及相应的波长λ再次代入干涉方程即得到峰值波长λ_i处薄膜折射率n'(λ_i)，采用多项式拟合的方法得到薄膜折射率与光波长之间的关系式，进一步利用n_g＝n'-λdn'/dλ得到群速折射率n_g，最后利用D_λ＝c^-1d n_g/dλ得到该薄膜在不同波长处的色散系数D_λ，所得结果如图4所示，最上面的一幅图为薄膜的折射率随波长的变化曲线n'(λ)，中间图是群速折射率随波长变化曲线n_g(λ)，最下面一幅图是色散系数随波长的变化曲线D(λ)。

Claims

1.一种薄膜折射率和色散系数的获取方法，其特征在于将该薄膜镀在比其厚1000倍以上的无色散的透明玻璃衬底上，首先利用分光光度计测量得到具有干涉调制现象的透射曲线，然后利用Savitzky-Golay分段滤波法滤除信号频率5倍以上的高频噪声，得到光滑的透射曲线后再利用循环比较方法获得该曲线的峰谷值数据及其对应的光波长，再利用三阶样条插值的方法分别对离散的峰值数据与谷值数据进行插值，获得连续的随光波长变化的波峰曲线T_M(λ)与波谷曲线T_m(λ)，将与确定的光波长值相对应峰值数据T_M及谷值数据T_m代入公式中即获得相应光波长处薄膜的折射率n，s是衬底的折射率，将上述获得的折射率及相应的光波长代入式中获得多个峰值波长处薄膜的厚度，求几何平均得到式中λ_i，λ_i+1是相邻两个透射峰值处对应的光波长，n(λ_i)，n(λ_i+1)相应峰值波长处对应的薄膜折射率，i为峰值序数，将薄膜厚度折射率n(λ_i)及相应的光波长λ_i代入干涉方程2nd＝mλ中得到干涉级次m，取m值为离其最近的整数或半整数m'，然后再次将薄膜折射率n(λ_i)、干涉级次m'及相应的光波长λ_i代入干涉方程得到相应的薄膜厚度，再次求几何平均得到将获得薄膜厚度干涉级次m'及相应的波长λ再次代入干涉方程即得到峰值波长λ_i处薄膜折射率n'(λ_i)，进一步利用n_g＝n'-λdn'/dλ得到群速折射率n_g，最后利用D_λ＝c^-1d n_g/dλ得到该薄膜在不同波长处的色散系数D_λ。

2.如权利要求1所述的一种薄膜折射率和色散系数的获取方法，获得薄膜折射率随波长的变化曲线n(λ)后，采用多项式拟合的方法得到薄膜折射率与光波长之间的关系式，进而得到群速折射率n_g和色散系数D_λ。

3.如权利要求1所述的一种薄膜折射率和色散系数的获取方法，其特征在于待测薄膜样品的表面粗糙度小于20nm，薄膜厚度大于600nm，分光光度计测量光谱范围为400-2500nm。