一种低吸收薄膜材料消光系数的精确计算方法
【专利摘要】本发明属于弱吸收薄膜材料的消光系数精确测量【技术领域】，具体涉及一种低吸收薄膜材料消光系数的精确计算方法，此方法可摆脱光谱测量精度不高的影响，通过采用532nm激光泵浦测量532nm的吸收损耗，再利用532nm和632.8nm波长的吸收损耗的换算即可得到632.8nm高反膜实际的吸收损耗，然后计算获得632.8nm波长处的具体消光系数，为研制高精度激光测量系统中所用的632.8nm的超低损耗激光薄膜、提高了新的方法和手段。
【专利说明】一种低吸收薄膜材料消光系数的精确计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于弱吸收薄膜材料的消光系数精确测量【技术领域】，具体涉及一种低吸收 薄膜材料消光系数的精确计算方法。
【背景技术】
[0002] 随着超高精度测量系统的快速发展，对超低损耗激光薄膜总损耗的要求越来越 高。这些高精度激光测量系统的灵敏度、信噪比和性能强烈地依赖于薄膜的总损耗，没有性 能优异的超低损耗激光薄膜，这些系统的优越性能，有时甚至是基本功能都是不可能实现 的。超高精度激光测试系统中使用了多种低损耗薄膜元件，其中腔镜高反射膜的损耗对系 统性能的影响最大，控制薄膜损耗就成为该系统关键技术之一。高反射膜的损耗一直都是 低损耗薄膜研究的重点和热点，根据能量守恒定律，高反射膜的反射率R可表示为：
[0003]R= 1-(A+S+T)
[0004] 式中：S为散射损耗，A为吸收损耗，T为透射损耗。对于高反射膜，散射损耗、吸收 损耗和透射损耗统称为总损耗。吸收损耗是低损耗激光薄膜总损耗的重要组成部分，因此 吸收损耗的控制对于降低薄膜的总损耗起到至关重要的作用。
[0005] 目前制备的超低损耗激光薄膜吸收损耗水平多在几十ppm到亚ppm量级，因此ppm 量级的低损耗激光薄膜吸收损耗精确测试成为目前亟待解决的问题之一。目前激光薄膜吸 收损耗测试技术主要有激光量热测量技术和光热偏转技术两种方法：（一）激光量热测量 技术：目前已有国际标准（IS011551)，能对绝对吸收损耗测量，测量可重复性好，可操作性 强，但也存在着一些缺点，比如时间、空间分辨率低，需测量特定的样品等。（二）光热偏转 测量技术：虽然没有统一的国际标准，但实际得到了广泛的应用，具有灵敏度高，时间、空间 分辨率高，可测量实际样品，可分离薄膜吸收和基底吸收等优点，但此方法只是一个相对测 量，准备定标困难，操作难度大。但现有的这两种弱吸收测试技术无法测量薄膜在632. 8nm 的吸收，从而精确计算632. 8nm的消光系数，有必要研究吸收随着波长的变化规律，根据 532nm和1064nm的测试结果，推导出薄膜在632. 8nm的吸收，从而精确计算薄膜材料在 632. 8nm的消光系数，为设计和制备高性能的超低损耗激光薄膜打下基础。
【发明内容】
[0006](一）要解决的技术问题
[0007]本发明要解决的技术问题是：如何提供一种低吸收薄膜材料消光系数的精确计算 方法。
[0008](二）技术方案
[0009]为解决上述技术问题，本发明提供一种低吸收薄膜材料消光系数的精确计算方 法，其包括如下步骤：
[0010] 步骤S1 :采用离子束溅射沉积技术在单面基底上制备单层高折射率材料H薄膜和 低折射率材料L薄膜；
[0011] 步骤S2 :采用椭圆偏振仪测量单层H薄膜和单层L薄膜的反射椭圆偏振参数 WU)和AU)，设定测量波长范围为Amin-Amax，测量步长为AX，入射角度为0 ;
[0012] 步骤S3 :建立单层薄膜材料的折射率计算模型，使用非线性优化算法，对测量的 椭圆偏振数据进行反演计算，选择Cauchy模型作为拟合模型，当拟合计算的数据和测量数 据基本一致时，则认为反演计算成功，即可获得单层H薄膜的物理厚度dH、单层L薄膜的物 理厚度4、单层H薄膜的折射率nH和单层L薄膜的折射率^ ;
[0013] 步骤S4 :根据柯西公式计算获得单层H薄膜和单层L薄膜材料的光学常数数据， 在石英基底上设计工作角度为〇度的632. 8nm高反射膜，当最外层为H层时，记为膜系札样 品，当最外层为L层时，记为膜系M2样品，设计时反射率大于99. 995% ;采用离子束溅射沉 积技术，在超光滑的石英基底上镀制〇度的632. 8nm高反射膜；
[0014] 步骤S5 :采用表面热透镜技术，其中泵浦光源选择为532nm的绿光激光器，探测光 源选择为632. 8nm的红光激光器，在吸收损耗测量时，泵浦光近似于0度入射到高反射膜样 品上，在高反射膜样品上选择2mmX2mm区域内的吸收损耗进行扫描测量，取平均值即可获 得吸收损耗，样品对应的吸收损耗为ApM2样品对应的吸收损耗为A2 ;
[0015] 步骤S6 :定义Ml样品在0度工作时532nm波长处的理论吸收为A3，M2样品在0度 工作时532nm波长处的理论吸收为A4, 样品在0度工作时632. 8nm波长处的理论吸收为 A5,M2样品在0度工作时632. 8nm波长处的理论吸收为A6 ;则计算获得0度工作时，Mi样品 在632. 8nm波长处的吸收损耗AH =AiXA5/A3,M2样品在632. 8nm波长处的吸收损耗\ = A2XA6/A4 ;
[0016] 步骤S7 :对于低损耗多层高反膜，当最外层为H层，其吸收损耗可近似为：
【权利要求】
1. 一种低吸收薄膜材料消光系数的精确计算方法，其特征在于，其包括如下步骤： 步骤Sl:采用离子束溅射沉积技术在单面基底上制备单层高折射率材料H薄膜和低折 射率材料L薄膜； 步骤S2 :采用椭圆偏振仪测量单层H薄膜和单层L薄膜的反射椭圆偏振参数Ψ(λ)和Λ(λ)，设定测量波长范围为Amin-Amax，测量步长为Λλ，入射角度为Θ; 步骤S3 :建立单层薄膜材料的折射率计算模型，使用非线性优化算法，对测量的椭圆 偏振数据进行反演计算，选择Cauchy模型作为拟合模型，当拟合计算的数据和测量数据基 本一致时，则认为反演计算成功，即获得单层H薄膜的物理厚度dH、单层L薄膜的物理厚度 4、单层H薄膜的折射率nH和单层L薄膜的折射率Ik ; 步骤S4 :根据柯西公式计算获得单层H薄膜和单层L薄膜材料的光学常数数据，在石 英基底上设计工作角度为〇度的632. 8nm高反射膜，当最外层为H层时，记为膜系M1样品， 当最外层为L层时，记为膜系M2样品，设计时反射率大于99. 995%;采用离子束溅射沉积技 术，在超光滑的石英基底上镀制〇度的632. 8nm高反射膜； 步骤S5 :采用表面热透镜技术，其中泵浦光源选择为532nm的绿光激光器，探测光源选 择为632. 8nm的红光激光器，在吸收损耗测量时，泵浦光近似于O度入射到高反射膜样品 上，在高反射膜样品上选择2mmX 2mm区域内的吸收损耗进行扫描测量，取平均值即可获得 吸收损耗，M1样品对应的吸收损耗为A1, M2样品对应的吸收损耗为A2 ; 步骤S6 :定义Ml样品在O度工作时532nm波长处的理论吸收为A3, M2样品在O度工 作时532nm波长处的理论吸收为A4, M1样品在O度工作时632. 8nm波长处的理论吸收为 A5, M2样品在O度工作时632. 8nm波长处的理论吸收为A6 ;则计算获得O度工作时，M1样品 在632. 8nm波长处的吸收损耗Ah=A1XA5/A3, M2样品在632. 8nm波长处的吸收损耗\ = A2 X A6/A4； 步骤S7 :对于低损耗多层高反膜，当最外层为H层，其吸收损耗可近似为：
当最外层为L层，其吸收损耗可近似为：
从而计算获得高折射率材料在632. 8nm的消光系数为：
低折射率材料在632. 8nm的消光系数为：
【文档编号】G01N21/31GK104458614SQ201410720302
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月2日 优先权日:2014年12月2日
【发明者】季一勤, 姜玉刚, 刘华松, 王利栓, 姜承慧, 刘丹丹 申请人:中国航天科工集团第三研究院第八三五八研究所