光学薄膜常数计算方法与测量系统的研究

摘要

如何精确快速的测定薄膜的参数,一直是薄膜工作者非常关注的课题。在众多测量薄膜参数的方法中,反射光谱法备受人们的推崇,这主要是因为该方法具有测试简单、操作方便、测试范围广及精度高等诸多优点。国外基于此法的仪器已经达到相当高的精度,被广泛应用。然而国内对此法的报道很少,更没有发现相关仪器的介绍。这主要是因为制约该方法应用的瓶颈仍然是很难根据所测的光学量来直接求解薄膜的参数和解的多值性问题。本论文对反射光谱法及其测量系统做了详尽的分析与研究。内容分为三部分。第一部分,在阅读大量国内外文献的基础上,就反射光谱法测量薄膜的参数进行了较为详细、系统地研究。用极其简单的形式给出了经典电磁理论严格推导出来的反射率公式,该公式包含了影响反射光谱的薄膜和基底的大部分参数;第二部分,确定了由反射数据求解薄膜参数的方法。首先,对极值点法进行了修正,采用二次平均提高了计算精度,并同时确定了单层薄膜的光学参数(n,k,d)。接下来,本文提出了一种由反射光谱和复合形法一次性同时确定薄膜多个参数的新方法,该方法是根据所测的光谱数据,通过约束条件,逐步缩小复合形,逼近真实解来得到薄膜的参数。一方面,它很好地解决了解的多值性问题;另一方面,它不依赖于干涉条纹及透明区的存在,可以利用所有的光谱测量数据,因而适合于处理各种不同的反射光谱,并且此法具有收敛速度快,收敛性好,精度高等优点。最后,分析了双层光学薄膜的反射情况,提出了应用遍寻法确定初值,最小二乘法精确求解来确定双层光学薄膜厚度的方法,此法同时可扩展到对三层光学薄膜的求解;第三部分,对反射率测量系统,进行了全面的分析与介绍。给出了器件的选择依据,国内外产品情况,分析了所选用器件的特性。在数据处理方面,对比了常用的方法。同时,给出了对膜片的测量结果,通过与标准结果做的对比,本系统的测量误差在±5％,达到应用水平。

目录

摘要

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第一章 绪论

1.1 薄膜技术的发展及应用

1.2 薄膜参数的测试方法

1.3 国内外相关仪器系统研究

1.4 研究的意义与本文的内容

第二章 反射光谱法的介绍

2.1 反射光谱法的原理

2.1.1 单层薄膜的反射特性

2.1.2 双层薄膜的反射特性

2.1.3 反射光谱法测量原理

2.2 测量装置

2.3 主要优点

第三章 极值法与复合形法求解薄膜常数和厚度的应用研究

3.1 极值法求解单层光学薄膜常数和厚度

3.2 极值法求解双层光学薄膜厚度

3.3 复合形法求解薄膜的光学常数

3.3.1 复合形法的数学思想描述

3.3.2 极小化目标函数(评价函数)的建立

3.3.3 约束条件的建立

3.3.4 计算机的求解程序图及部分参数的选择

3.3.5 计算结果与分析

3.3.6 小结

3.4 软件的人机交互界面

第四章 光学薄膜反射率测量系统的设计与测试结果

4.1 系统的原理

4.2 光源的选择

4.2.1 光源的选择要求

4.2.2 常用光源的介绍

4.2.3 本系统选用光源的研究

4.3 光纤和透镜的选择

4.3.1 选择要求

4.3.2 本系统需用的光纤与透镜的研究

4.4 分光光度计的选择

4.4.1 分光光度计选择要求

4.4.2 常用分光光度计的介绍

4.4.3 本实验所用的分光光度计的研究

4.5 测试的结果

4.5.1 本实验所用膜片的说明与标准测试

4.5.2 应用本系统得到的测试结果

4.5.3 测试结果分析

4.6 反射率曲线的平滑处理方法

第五章 总结

致谢

个人简历

硕士期间发表的论文