基于白光光谱干涉技术的薄膜测量方法研究

摘要

薄膜作为一种特殊的结构，具有与块状材料不同的独特性能，在光学、信息、生物、航天等领域得到广泛应用。薄膜的各种特性直接决定着其能否正常工作，因此对薄膜的检测越发重要。
　　白光光谱干涉技术作为一种光学测试方法，具有非接触、高精度等特点，被广泛应用于薄膜特性检测领域。该方法不仅能够测量薄膜厚度、折射率等信息，而且也能测量相位特性，具有其独特的优势。本课题围绕白光光谱干涉技术展开，研究基于该技术的薄膜特性检测，在分析相关理论的基础上搭建测试系统，实现薄膜特性检测。论文的主要工作如下：
　　1.系统论述了薄膜的发展和应用，对目前常用的薄膜测试方法进行总结归纳，并详细阐述了白光光谱干涉测试技术的发展现状。
　　2.分析了白光光谱干涉技术原理。从干涉原理、部分相干光理论和薄膜结构反射特性三个方面分析了该技术的理论基础，为后续工作奠定基础。
　　3.研究了几种常用相位提取算法，从求解精度、测量范围、运算时间、抗噪能力、引入误差形式等方面进行比较，选择时间相移法作为本系统的相位提取算法。
　　4.阐述了最优化理论，针对局部算法，提出了两种初值确定方法，基于非线性相位提取初值和基于反射率提取初值，两种方法均能提取合适的初值用于优化计算；针对全局算法，设计了模拟退火法和遗传算法用于测量薄膜特性参数，两种方法均能在不需初值的情况下取得较精确的结果。从时间、精度等方面对几种方法进行分析，结果表明局部算法相比全局算法能够在更短的时间内得到精度更高的结果；但全局算法不需要初值，并且能够同时测量膜厚和折射率。
　　5.详细分析了影响系统测量精度的因素，包括光源、分光棱镜、光谱仪等，给出了等效厚度的变化规律，提出了利用等效波长修正系统误差的方法。利用高精度压电扫描器对系统精度进行了测试，结果表明系统具有纳米级测量重复性与复现性。通过测量NIST认证的标准薄膜样品，验证了系统和方法的可行性。

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第一章 绪论

1.1薄膜的发展和应用

1.2薄膜测试技术

1.3光谱干涉技术现状与问题

1.4论文主要内容

第二章 白光光谱干涉测量原理

2.1干涉原理

2.2部分相干光理论

2.3薄膜特性

2.4白光光谱干涉测量绝对距离与薄膜特性

2.5本章小结

第三章 测试系统构建

3.1测试系统

3.2系统硬件

3.3系统软件

3.4本章小结

第四章 白光光谱干涉数据处理

4.1相位提取

4.2方法分析比较

4.3优化拟合算法

4.4方法分析比较

4.5本章小结

第五章 实验结果与分析

5.1系统性能

5.2实验结果与分析

5.3本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢