薄膜光学技术-6-1第六章 光学薄膜特性测试与分析
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光学薄膜折射率和厚度测试技术及研究
ｅ ｌ ｌ ｉ ｐ ｓ ｏ ｍ ｅ ｔ ｒ ｙ ｉ ｓ ｕ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ｓ ｅ ｔ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｉ ｍ ａ ｒ ｙ ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ａ ｒ ｄ ｏ ｆ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｆ ｉ ｌ ｍ ｒ ｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｉ ｎ ｄ ｅ ｘ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｉ ｃ ｋ ｎ ｅ ｓ ｓ
硕｛ 一 论文
光学薄膜折射率和厚度测试技术及研究
毋响着各种新型薄膜器件和技术在新型武器装备上的应） Ｉ Ｉ ． 而在国外，美国和英国已建立了光学薄膜折射率及厚度标准装置，美国的 ． Ｊ ． Ａ ． Ｗ ｏ ｏ ｌａ ｍ公司和法国的 Ｊ Ｙ公司生产的测量薄膜折射率及厚度的椭偏仪更是处于世
各向异性材料的测量等，并对这些测试结果进行了详尽的数据分析。
１ ． ４ 技术关键
光学薄膜折射率及厚度测试的难点及技术关键有以下几点： １ ） 由于椭偏仪系统测试的直接值是甲和△， 而要获得光学薄膜折射率及厚度 值，必须先建立一个模型，由这个模型的预设值和实际测量值进行拟合， 通过计算机解超越方程从而得到折射率和厚度值。因此， 模型的建立是至
ｃ ｏ ｍ ｍ ｏ ｎ ｌ ｙ ｕ ｓ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｗ ｏ ｒ ｌ ｄ ， ａ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｄ ｅ ｒ ｉ ｖ ｅ ｄ ｆ ｒ ｏ ｍ ｖ ａ ｒ ｉ ａ ｂ ｌ ｅ ａ ｎ ｇ ｌ ｅ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｉ ｃ
在以上参数中，薄膜的反射比、透射比标准我们已在 “ 八五”期间完成。而其他参数 目
前还没有标准， 例如折射率和厚度， 这些参数对薄膜的设计和工艺制造都是不可缺少的。 薄膜技术和器件的广泛应用， 推动着薄膜测试技术的发展， 同时面对武器装备的不 断更新和发展， 对提高薄膜的性能、评价膜系的优劣， 并对己有的测试仪器进行量值统 一提出了更高的要求。 在这方面国外研究起步较早，发展很快，加之先进的加工手段和
光学薄膜的特性检测
( 12) e x p ( d ) 2 I I ( 1 R ) 2 N o e x p ( d ) 1
2 N
令
( 1 2 ) e x p ( d ) T 2 N e x p ( d ) 1
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 4
同时
' n d ( 2 m 1 ) [ 2 ( m 1 ) 1 ]
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
n2 Ni2 2 2 n Nj
薄膜折射率的测量
准波导法
n2 Ni2 2 2 n Nj 1 (i ) tg1 2 1 ( j ) tg1 2
2 Ni2 ng
n2 Ni2
2 N2 j ng
n2 N 2 j
其中，Ni Nj分别是入射光片深圳时第i和j模的有效折射率，它的值由实 验来确定，解这个方程即可得到薄膜的折射率no.同时还可以得到薄膜 厚度的表达式。 对于p偏振，同以上方法，只是ρ取2.然后再带入薄膜厚度的表达式，
薄膜光学常数的椭圆偏振量
椭偏法测量的基本思路是，起偏器产生的线 偏振光经取向一定的1／4 波片后成为特殊的 椭圆偏振光，把它投射到待测样品表面时， 只要起偏器取适当的透光方向，被待测样品 表面反射出来的将是线偏振光。根据偏振光 在反射前后的偏振状态变化（包括振幅和相 位的变化），便可以确定样品表面的许多光 学特性。
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。 i
2 N
令
( 1 2 ) e x p ( d ) T 2 N e x p ( d ) 1
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 4
同时
' n d ( 2 m 1 ) [ 2 ( m 1 ) 1 ]
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
n2 Ni2 2 2 n Nj
薄膜折射率的测量
准波导法
n2 Ni2 2 2 n Nj 1 (i ) tg1 2 1 ( j ) tg1 2
2 Ni2 ng
n2 Ni2
2 N2 j ng
n2 N 2 j
其中，Ni Nj分别是入射光片深圳时第i和j模的有效折射率，它的值由实 验来确定，解这个方程即可得到薄膜的折射率no.同时还可以得到薄膜 厚度的表达式。 对于p偏振，同以上方法，只是ρ取2.然后再带入薄膜厚度的表达式，
薄膜光学常数的椭圆偏振量
椭偏法测量的基本思路是，起偏器产生的线 偏振光经取向一定的1／4 波片后成为特殊的 椭圆偏振光，把它投射到待测样品表面时， 只要起偏器取适当的透光方向，被待测样品 表面反射出来的将是线偏振光。根据偏振光 在反射前后的偏振状态变化（包括振幅和相 位的变化），便可以确定样品表面的许多光 学特性。
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。 i
2019现代光学薄膜技术6
假定导纳为 i 的基片上有导纳为
n 的单层膜
B
C
cos
in sin
i sin n cos
1 i
组合导纳 Y C B 一般为复数，设
Y x iy
分别取实部、虚部相等
，经过整理消去
x2 y2 2 2 n2 x n2
这是一个园的方程，圆
心坐标
2
2 2
若在所考虑的整个波段内，忽略膜的色散， 则对于所有波长振幅反射系数r1，r2、r3和r4均 相同。
薄 膜 光 学——基础理论
矢量法
为了避免在作矢量图时方向混乱，我们可以规定： 1． 矢量的模r1, r2, r3, r4…，正值为指向坐标原点负
值为离开原点． 2． 矢量之间的夹角仅决定于膜层的光学厚度和所考察
➢采用变折射率的所谓非均匀膜，它的折射率随着厚度的增 加呈连续的变化；
➢采用几层折射率不同的均匀薄膜构成多层增透膜；
薄 膜 光 学——典型膜系
1.2 双层增透膜
对于单层氟化镁膜来说冕牌玻璃的折射率是太低了。 为此，我们可以在玻璃基片上先镀一层1/4波长厚的、折 射率为n2的薄膜，这时对于来说薄膜和基片组合的系统 可以用一折射率为Y=N23/n3的假想基片来等价。显然， 当n2>n3时，有Y＞n3．也就是说，在玻璃基片上先镀一 层高折射率的λ0／4波长厚的膜层后，基片的折射率好象 从n3提高到Y=N23/n3 ，然后镀上λ0／4波长厚的氟化镁膜 层就能起到更好的增透效果。 构成λ0／4- λ0／4型增透膜， 若使中心波长的反射率为零，应满足：
薄 膜 光 学——基础理论
矢量法
为了避免在作矢量图时方向混乱，我们可以规定： 1． 矢量的模r1, r2, r3, r4…，正值为指向坐标原点负
光学薄膜微观分析及性能测试
材料微观分析及性能测试专业服务Materials Micro-analytical Characterization and Testing Services( M2CTS )目标•领导技术服务发展潮流，在珠江三角洲地区为广大厂家包括制造业，能源业，建筑及建材业等提供高水平的材料微观分析和性能测试专业服务。
•通过提供服务，促进城大与广大工业厂商之间的专业技术合作交流，推动科技成果转化。
适用客户半导体，建筑业，轻金属业，新材料，包装业，模具业，科研机构，高校，电镀，化工，能源，生物制药，光电子，显示器。
主要实验室一、金相实验室• Leica DM/RM 光学显微镜主要特性：用于金相显微分析，可直观检测金属材料的微观组织，如原材料缺陷、偏析、初生碳化物、脱碳层、氮化层及焊接、冷加工、铸造、锻造、热处理等等不同状态下的组织组成，从而判断材质优劣。
须进行样品制备工作，最大放大倍数约1400倍。
• Leica 体视显微镜主要特性：1、用于观察材料的表面低倍形貌，初步判断材质缺陷；2、观察断口的宏观断裂形貌，初步判断裂纹起源。
•热振光模拟显微镜•图象分析仪•莱卡DM/RM 显微镜附 CCD数码照相装置二、电子显微镜实验室•扫描电子显微镜(附电子探针) (JEOL JSM5200，JOEL JSM820，JEOL JSM6335)主要特性：1、用于断裂分析、断口的高倍显微形貌分析，如解理断裂、疲劳断裂（疲劳辉纹）、晶间断裂（氢脆、应力腐蚀、蠕变、高温回火脆性、起源于晶界的脆性物、析出物等）、侵蚀形貌、侵蚀产物分析及焊缝分析。
2、附带能谱，用于微区成分分析及较小样品的成分分析、晶体学分析，测量点阵参数/合金相、夹杂物分析、浓度梯度测定等。
3、用于金属、半导体、电子陶瓷、电容器的失效分析及材质检验、放大倍率：10X—300,000X；样品尺寸：0.1mm—10cm；分辩率:1—50nm。
•透射电子显微镜（菲利蒲 CM-20,CM-200）主要特性：1、需进行试样制备为金属薄膜，试样厚度须<200nm。
薄膜光学技术
b、 通带波形近似为三角形; c、 通带两侧截止区很窄; d、 制造工艺难度较大、
全介质滤光片得带宽
如果两个反射膜对称,而且反射率足够高,则
F 4R12 4 (1 R12 )2 T122
2 20 sin1 T12
m
2
当层数给定时,用高折射率层作为最外层将得到最大反射率, 所以,实际上只有两种情况需要考虑、即
G/H(LH)x2L(HL)xH/A G/HLHLHLHL2LHLHLHLHLH/A
3、 全“介质多半波”型
“多半波”就是指膜系中有多个λ0/2 间隔层。 双半波型: G HL2H(LH)2L2HLH G
G LH2L(HL)3H2LHLH A 三半波型: G LHL(LHLHLHLHL)2LHL A 五半波型: G LHL(LHLHLHL)4LHLHL A 特点:
2、 全“介质单半波”型
反射膜/半波间隔层/反射膜
G/ ( HL )m [ k ( 2H ) ] ( LH )m /G G/ ( HL )m H [ k ( 2L ) ] H ( LH )m /G 特点:
a、 A, S 很小, R1 , R2 很高, ∴ T0 ~ 90%
2 0 ~ 1 500
Tmax
T122 (1 R12 )2
T122 (T12 A12 )2
1 (1 A12 / T12 )2
这说明 :反射膜得透射率愈低或吸收、散射愈大,则 峰值透射率愈低、
A+S ~ 0、5% , R ~ 98、8% , T max ~ 50% ; A+S ~ 1% , R ~ 98、8% , T max ~ 30% 、
Y12
nH2 x 1 nL2 x 1
nH2 nG
nH2 X nL2 x 1nG
全介质滤光片得带宽
如果两个反射膜对称,而且反射率足够高,则
F 4R12 4 (1 R12 )2 T122
2 20 sin1 T12
m
2
当层数给定时,用高折射率层作为最外层将得到最大反射率, 所以,实际上只有两种情况需要考虑、即
G/H(LH)x2L(HL)xH/A G/HLHLHLHL2LHLHLHLHLH/A
3、 全“介质多半波”型
“多半波”就是指膜系中有多个λ0/2 间隔层。 双半波型: G HL2H(LH)2L2HLH G
G LH2L(HL)3H2LHLH A 三半波型: G LHL(LHLHLHLHL)2LHL A 五半波型: G LHL(LHLHLHL)4LHLHL A 特点:
2、 全“介质单半波”型
反射膜/半波间隔层/反射膜
G/ ( HL )m [ k ( 2H ) ] ( LH )m /G G/ ( HL )m H [ k ( 2L ) ] H ( LH )m /G 特点:
a、 A, S 很小, R1 , R2 很高, ∴ T0 ~ 90%
2 0 ~ 1 500
Tmax
T122 (1 R12 )2
T122 (T12 A12 )2
1 (1 A12 / T12 )2
这说明 :反射膜得透射率愈低或吸收、散射愈大,则 峰值透射率愈低、
A+S ~ 0、5% , R ~ 98、8% , T max ~ 50% ; A+S ~ 1% , R ~ 98、8% , T max ~ 30% 、
Y12
nH2 x 1 nL2 x 1
nH2 nG
nH2 X nL2 x 1nG
薄膜光学技术‘
i1
s
in
1
i sin 1 cos 1
1
1
S
E
S
令：
B
C
cos 1
i1 sin1
i sin 1 cos 1
1
1
S
则：
1 B
E0
Y
C
ES
E0 YE0
B C
Es
E0 BEs YE0 CEs
等效导纳
Y C B
第21页
强调说明：
①
B
C
cos 1
i1
s
的所有 H、E 。
第8页
2、Fresnell’s formulae and modified admittance
rP
N0cos1 - N1cos0 N0cos1 N1cos1
rs
N0 N0
cos 0 cos 0
N1 N1
cos 1 cos 1
tP
2N 0cos0 N0cos1 N1cos0
和反射率
r
0
Y
0
Y
R 0 Y 0 Y 2
➢反射系数是复数，由模 r 和反射相移 r 两部分组成。
因此，只要求出了单层膜与基底的组合等效导纳，就可
以计算出单层膜的反射系数和反射率 。
第14页
1. 单层介质膜与基底组合的等效导纳
（1）.电磁场关系
1）①.方介向质：中E同, H一 ,点k0 成H右手 Y螺旋k0关 系E ．
tp
2N 0cos0 N0cos1 N1cos0
1
s
K cos 0 cos 1
p
其中，计算 rs和 t s时，公式中的 应代入 s；
薄膜的光学性质
等效介质：薄膜系统和基底组合而成。 将入射介质和等效介质之间的界面称为等效界面，即 等效界面两侧分别是入射介质和等效介质。 入射介质的折射率仍旧是N0，等效介质具有等效光学 导纳Y。
因此，整个薄膜系统的反射率就是等效界面的反射率， 等效界面的反射率计算公式为：
R n0 Y n0 Y
2
1.1 基本概念
单一界面的反射率和透射率
两种介质形成的界面对光波的能量反射率和透射率分别 为：
2
R
I I
r
E E
r 2 i
i
n n n n r n n n n
2 0 1 0 1 0 1 0 1
2 t 2 i 1
T
2）光由透明介质进入金属膜时，折射角度成为一个复向 量。当金属吸收系数很大，且光的波长又不是很短时，光 将沿着接近垂直界面的方向传播；当金属吸收系数不是很 大，且光的波长比较短时，光将偏离垂直界面的方向，偏 离的程度与入射角有关。这时，金属的光学常数也随着入 射角的变化而变化。
3）光在金属界面上的反射系数比在透明介质界面上的反 射系数大得多。当光进入金属后，自由电子吸收光能转变 成动能，导致光的指数衰减，衰减的快慢决定于自由电子 密度的大小。自由电子密度越高，吸收系数越大，光衰减 越快。对于100nm厚的金属膜，透射率只有1%。
R p r1 p
2
垂直入射时：
n 0 n1 R n 0 n1
T 4 n 0 n1
2
R s r1 s
2
n1 cos 1 2 Tp t1 p n 0 cos 0 n1 co s 1 2 Ts t1 s n 0 co薄膜的等效界面
薄膜光学6
s
T
(0u11
4 0k 1 k 1u22 ) 2 (0k 1u12 u21 ) 2
为简化令 0 1 ，如果 u11 u22 2 1 ，T T未与u12、u21无 关
未镀膜及片相比较 4 k 1 0 T未 0 k 1 2
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
1
g边
1 g ,因 此
反射带宽与H、L的折射率有关
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
薄 膜 光 学——典型膜系
用相对波数表示带宽：
1 g 1 g
用波长表示带宽：
0 1 1 g 2 0 1 g
0 / 1 g 0 / 1 g 2g0 / 1 g 2g0
Wavelength (nm)
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
薄 膜 光 学——典型膜系
全介质反射膜
金属反射镜的吸收是始终存在的， 使它在很多场合不能 应用，如有些高能 激光膜，这时候需要全介质高反膜。我 们知道：由H/L高低介质重复叠加可以 对某一波段进行高反射。如 （HL)sH/Glass结构的导纳：
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
薄 膜 光 学——典型膜系
当n1>n2时
比较两个 反射率 R*>R
1 ( n ik ) (1 n ) k R 2 2 1 ( n ik ) (1 n ) k
2 2
2
4 n n 2 1 1 1 n k n n2 2 * R 2 2 4 n n k2 1 1 n 1 n n 2 2 2
T
(0u11
4 0k 1 k 1u22 ) 2 (0k 1u12 u21 ) 2
为简化令 0 1 ，如果 u11 u22 2 1 ，T T未与u12、u21无 关
未镀膜及片相比较 4 k 1 0 T未 0 k 1 2
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
1
g边
1 g ,因 此
反射带宽与H、L的折射率有关
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
薄 膜 光 学——典型膜系
用相对波数表示带宽：
1 g 1 g
用波长表示带宽：
0 1 1 g 2 0 1 g
0 / 1 g 0 / 1 g 2g0 / 1 g 2g0
Wavelength (nm)
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
薄 膜 光 学——典型膜系
全介质反射膜
金属反射镜的吸收是始终存在的， 使它在很多场合不能 应用，如有些高能 激光膜，这时候需要全介质高反膜。我 们知道：由H/L高低介质重复叠加可以 对某一波段进行高反射。如 （HL)sH/Glass结构的导纳：
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
薄 膜 光 学——典型膜系
当n1>n2时
比较两个 反射率 R*>R
1 ( n ik ) (1 n ) k R 2 2 1 ( n ik ) (1 n ) k
2 2
2
4 n n 2 1 1 1 n k n n2 2 * R 2 2 4 n n k2 1 1 n 1 n n 2 2 2
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参考反射镜
位置2 Rf
I1
I
I2
薄膜样品
R
Rf 位置1
V-W型反射率测量系统原理图
I1 Rf I
I2 Rf R2I
R I2 I1
1
1
RR2 I1 I12 I2 I2
14
光谱范围：
185-3200nm
波长精度：
U-V区≤±0.2nm
NIR ≤±1.0nm
15
6.2 薄膜光学常数和厚度测量
6.2.1.光度法
11
x
I=Ix+Iy x
oI y
(a) x
I1 z
T1
oI y
oI y
(c)
I1 IxTs IyTp
T 1 I1IIxT s IyT p I
I2
z
T2 T 2I2IIxT p IyT s I
(b)
I3 z
T3
T1T2Ix IIyTpTs TpTs
T12TpTs 12T1T2
偏振分束棱镜透射率的测试步骤
10
3.透射率测量
为了保证测量精度，必须注意以下几个因素：
1.分光光度计分辨率的影响；
2. 被测样品大小和厚度的影响；
加小的孔径光阑；
参考光路中加入相同形状的空白基片； 采用积分球系统（特别是在斜入射时）
3.被测样品后表面的影响；
Tf
2T0
2T0
TT0 1
4. 偏振效应的影响
T0为空白基底的实测透射率， T是实际测得的样品的透射率。
为光程差， 为波数
当两干涉臂的光程差为零时（δ=0），有：
I(0)20Bd 此时，上式可写成： E () I 0 .5 I0 0 B co 2 s) d (
对该式进行傅立叶逆变换，就可以将其恢复成光谱图
B0Eco2s d
9
与通常的分光型光谱仪相比， 红外傅立叶变换光谱仪具有以下特点：
（1）探测的信号增大，大大提高了光谱图的信噪比。 （2）所用的光学元件少，无狭缝和光栅分光器件，因 此到达检测器的辐射强度大，信噪比大。 （3）波长（波数）精度高（±0.01cm-1），重现性 好，分辨率高。 （4）扫描速度快。傅立叶变换光谱仪动镜完成一次扫 描所需要的时间仅为几秒，可同时测量所有的波数区间。
化的光谱透射率曲线。
6
目前国际上主要分光光度计的性能参数
型号/厂家
Lambda900 PE公司
U4100 Hitachi公司
U-3501 Hitachi公司
UV365 岛津
Cary5000 美国 Varian
光谱范围 /nm 175~3300
175~2600
185~3200
190~2500
175~3300
17
2. 求d
对于无色散的透明膜层，在得到n值后，需要
知道相邻两个反射（或透射）极大（或极小）所对
应的波长λ1和λ2，则就可以由
nd = (2m+1)λ1 / 4 = [2(m+1)+1]λ2 / 4
得到：
d2nf 112 2
12
两个相邻极大（或极小）值的波长
18
3. 有色散单层膜
当测得单层膜的T- λ、或 R-λ光谱曲线上
n0
n0
nf 2 nf 2
ns ns
2Rf
n0
n0
nf 2 nf 2
ns ns
2
1 Rf nsn0
nf
1 Rf
R f 2 T 0T F 1 T 0 2 T 0T F 1 T 0
楔形，或将基底背面 磨毛、涂黑。
if ΔR=0.2% then Δnf/nf=10-2
低反射率测量系统示意图 L－光源，Ｓ－测试样品，ＭＣ－单色仪，Ｄ－探测器
R=(I1/I0)R0
R I 1I0 R 0 I 1I0 R 0
参考样品的误差 △R0引起的误差
I1越大，即测试样片 的反射率越高，引入
的误差越大。 13
(2).高反射率测量 （二次反射法-消除参考反射镜反射率的影响）
I
光学薄膜技术
Optics Thin Film and Technology
第六章 光学薄膜特性测试与分析
1
光学薄膜的类型和符号
4
6.1 薄膜透射率和反射率的测量
光谱仪 测量波段 光谱仪 测量原理
紫外-可见近红外分光光度计 红外分光光度计 单色仪型分光光度计 干涉型光谱仪
5
1.单色仪型分光光度计
I0
L
M S I0
MC D
双光路分光光度计测量透射率原理图
L－光源，Ｓ－测试样品，Ｍ－调制板，ＭＣ－单色仪，Ｄ－探测器
原理：仪器采用双光路测量，其中一束透过测试样品，叫测量
光束；另一束不透过测试样品，叫参考光束。一只探测器，交
替地对两束光接收并进行比较，获得透射率。再按照单色仪的
出射波长进行自动光谱扫描，就可直接记录出透射率随波长变
——对无吸收单层膜，由测得的T- λ、或 R-λ光谱， 推算 n、d值。
三点假设：
1）假设膜层具有均匀的折射率； 2）假设薄膜没有色散，即薄膜在各个波长下 具有相同的折射率； 3）假设薄膜在各波长点的消光系数为零。 RT1
1. 求 n：
对无吸收透明膜层，当膜层光学 厚度恰为λ0 / 4
的奇数倍时：
Rf
光谱分辨率 /nm
0.08
光度精度 （可见区）
0.00008
反射率测试 偏振测试
可以
可以
0.1
0.0003
可以
可以
0.2
0.0003
可以
可以
0.1
0.001
≤0.048nm(UV- 0.0003 Vis) ≤0.2nm(Nir)
可以
可以
7
2.干涉型光谱仪
光被分束后，一束经反射到 达动镜，另一束经透射到达 定镜。两束光分别经定镜和 动镜反射后再回到分束镜。 动镜以一恒定速度υ作直线运 动，因而经分束镜分束后的 两束光，由于动镜的运动， 形成随时间变化的光程差δ， 经分束镜会合后形成干涉， 干涉光通过样品池后被检测， 就可得到随动镜运动而变化 的干涉图谱。
光谱2.5~25μm
原理：应用麦克尔逊干涉仪对不同波长的光信号进行频率调制，
在频率内记录干涉强度随光程差改变的完全干涉图信号，并对
此干涉图进行傅立叶变换，得到被测光的光谱。
8
干涉图是红外光谱 B的()傅立叶变换，
I () 0 B 1 c 2 o d s 0 B d 0 B c2 o) d s(
T 3Ix T p T s Iy T p T s I T p T s
Tp(s) T1T2
T1T2 24T3 2
12
4.反射率测量
(1).低反射率测量
Single reflection measurement
S
Standard sample I0, Measured sample I1
L
MC D
从长波到短波的极值波长依次为λ0 、 λ1 、 λ2 、 ... λj ... λi
位置2 Rf
I1
I
I2
薄膜样品
R
Rf 位置1
V-W型反射率测量系统原理图
I1 Rf I
I2 Rf R2I
R I2 I1
1
1
RR2 I1 I12 I2 I2
14
光谱范围：
185-3200nm
波长精度：
U-V区≤±0.2nm
NIR ≤±1.0nm
15
6.2 薄膜光学常数和厚度测量
6.2.1.光度法
11
x
I=Ix+Iy x
oI y
(a) x
I1 z
T1
oI y
oI y
(c)
I1 IxTs IyTp
T 1 I1IIxT s IyT p I
I2
z
T2 T 2I2IIxT p IyT s I
(b)
I3 z
T3
T1T2Ix IIyTpTs TpTs
T12TpTs 12T1T2
偏振分束棱镜透射率的测试步骤
10
3.透射率测量
为了保证测量精度，必须注意以下几个因素：
1.分光光度计分辨率的影响；
2. 被测样品大小和厚度的影响；
加小的孔径光阑；
参考光路中加入相同形状的空白基片； 采用积分球系统（特别是在斜入射时）
3.被测样品后表面的影响；
Tf
2T0
2T0
TT0 1
4. 偏振效应的影响
T0为空白基底的实测透射率， T是实际测得的样品的透射率。
为光程差， 为波数
当两干涉臂的光程差为零时（δ=0），有：
I(0)20Bd 此时，上式可写成： E () I 0 .5 I0 0 B co 2 s) d (
对该式进行傅立叶逆变换，就可以将其恢复成光谱图
B0Eco2s d
9
与通常的分光型光谱仪相比， 红外傅立叶变换光谱仪具有以下特点：
（1）探测的信号增大，大大提高了光谱图的信噪比。 （2）所用的光学元件少，无狭缝和光栅分光器件，因 此到达检测器的辐射强度大，信噪比大。 （3）波长（波数）精度高（±0.01cm-1），重现性 好，分辨率高。 （4）扫描速度快。傅立叶变换光谱仪动镜完成一次扫 描所需要的时间仅为几秒，可同时测量所有的波数区间。
化的光谱透射率曲线。
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目前国际上主要分光光度计的性能参数
型号/厂家
Lambda900 PE公司
U4100 Hitachi公司
U-3501 Hitachi公司
UV365 岛津
Cary5000 美国 Varian
光谱范围 /nm 175~3300
175~2600
185~3200
190~2500
175~3300
17
2. 求d
对于无色散的透明膜层，在得到n值后，需要
知道相邻两个反射（或透射）极大（或极小）所对
应的波长λ1和λ2，则就可以由
nd = (2m+1)λ1 / 4 = [2(m+1)+1]λ2 / 4
得到：
d2nf 112 2
12
两个相邻极大（或极小）值的波长
18
3. 有色散单层膜
当测得单层膜的T- λ、或 R-λ光谱曲线上
n0
n0
nf 2 nf 2
ns ns
2Rf
n0
n0
nf 2 nf 2
ns ns
2
1 Rf nsn0
nf
1 Rf
R f 2 T 0T F 1 T 0 2 T 0T F 1 T 0
楔形，或将基底背面 磨毛、涂黑。
if ΔR=0.2% then Δnf/nf=10-2
低反射率测量系统示意图 L－光源，Ｓ－测试样品，ＭＣ－单色仪，Ｄ－探测器
R=(I1/I0)R0
R I 1I0 R 0 I 1I0 R 0
参考样品的误差 △R0引起的误差
I1越大，即测试样片 的反射率越高，引入
的误差越大。 13
(2).高反射率测量 （二次反射法-消除参考反射镜反射率的影响）
I
光学薄膜技术
Optics Thin Film and Technology
第六章 光学薄膜特性测试与分析
1
光学薄膜的类型和符号
4
6.1 薄膜透射率和反射率的测量
光谱仪 测量波段 光谱仪 测量原理
紫外-可见近红外分光光度计 红外分光光度计 单色仪型分光光度计 干涉型光谱仪
5
1.单色仪型分光光度计
I0
L
M S I0
MC D
双光路分光光度计测量透射率原理图
L－光源，Ｓ－测试样品，Ｍ－调制板，ＭＣ－单色仪，Ｄ－探测器
原理：仪器采用双光路测量，其中一束透过测试样品，叫测量
光束；另一束不透过测试样品，叫参考光束。一只探测器，交
替地对两束光接收并进行比较，获得透射率。再按照单色仪的
出射波长进行自动光谱扫描，就可直接记录出透射率随波长变
——对无吸收单层膜，由测得的T- λ、或 R-λ光谱， 推算 n、d值。
三点假设：
1）假设膜层具有均匀的折射率； 2）假设薄膜没有色散，即薄膜在各个波长下 具有相同的折射率； 3）假设薄膜在各波长点的消光系数为零。 RT1
1. 求 n：
对无吸收透明膜层，当膜层光学 厚度恰为λ0 / 4
的奇数倍时：
Rf
光谱分辨率 /nm
0.08
光度精度 （可见区）
0.00008
反射率测试 偏振测试
可以
可以
0.1
0.0003
可以
可以
0.2
0.0003
可以
可以
0.1
0.001
≤0.048nm(UV- 0.0003 Vis) ≤0.2nm(Nir)
可以
可以
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2.干涉型光谱仪
光被分束后，一束经反射到 达动镜，另一束经透射到达 定镜。两束光分别经定镜和 动镜反射后再回到分束镜。 动镜以一恒定速度υ作直线运 动，因而经分束镜分束后的 两束光，由于动镜的运动， 形成随时间变化的光程差δ， 经分束镜会合后形成干涉， 干涉光通过样品池后被检测， 就可得到随动镜运动而变化 的干涉图谱。
光谱2.5~25μm
原理：应用麦克尔逊干涉仪对不同波长的光信号进行频率调制，
在频率内记录干涉强度随光程差改变的完全干涉图信号，并对
此干涉图进行傅立叶变换，得到被测光的光谱。
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干涉图是红外光谱 B的()傅立叶变换，
I () 0 B 1 c 2 o d s 0 B d 0 B c2 o) d s(
T 3Ix T p T s Iy T p T s I T p T s
Tp(s) T1T2
T1T2 24T3 2
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4.反射率测量
(1).低反射率测量
Single reflection measurement
S
Standard sample I0, Measured sample I1
L
MC D
从长波到短波的极值波长依次为λ0 、 λ1 、 λ2 、 ... λj ... λi