專利名稱：一種測量光學薄膜吸收損耗的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種對光學薄膜元件參數(shù)的測量方法，特別是光學薄膜吸收損耗的測量方法。
背景技術：
吸收損耗是衡量光學薄膜性能的重要指標之一，尤其是在高功率激光應用中，吸收損耗不僅引起光學薄膜元件的熱畸變，使激光束的光束質(zhì)量降低，還會降低薄膜抗激光損傷的能力，限制激光器和激光系統(tǒng)中所能輸出和傳輸?shù)淖罡吖β?。同時薄膜吸收損耗的準確測量對于優(yōu)化膜層設計和鍍膜工藝以提高薄膜元件的性能也十分重要。因此，必須發(fā)展能準確測量光學薄膜吸收損耗的高靈敏測試技術手段。
傳統(tǒng)的分光光度法、消光系數(shù)法等測試方法無法滿足測量低吸收損耗低于10-4)的要求。目前，激光量熱法是測量光學元件吸收損耗的國際標準，其最大的優(yōu)點是能直接測量吸收損耗的絕對值，不需要定標，測量靈敏度高(優(yōu)于10-6-李斌成，熊勝明等；激光量熱法測量光學薄膜微弱吸收，《中國激光》33823(2006))，且裝置簡單，調(diào)節(jié)方便。缺點是響應時間較慢，光照射時間長，所測量的結(jié)果反映的是光照時間內(nèi)的吸收損耗的平均值，時間分辨率低，測量靈敏度與裝置設計和制備中的諸多因素密切相關，且空間分辨率低，不便于實現(xiàn)吸收分布的二維高分辨率成像，一般也不適合測量大尺寸薄膜元件。光熱偏轉(zhuǎn)技術和表面熱透鏡技術等基于光熱技術的方法是測量薄膜元件吸收損耗的有效方法，與時域調(diào)制和鎖相測量技術相結(jié)合具有極高的測量靈敏度(L.Gallais and M.Commandr é，Photothermaldeflection in multilayer coatingsmodeling and experiment，AppliedOptics，44(25)，5230(2005)；B.Li，S.Martin，and E.Welsh，Pulsedtop-hat beam thermal lens measurement on ultraviolet dielectriccoating，Opt.Lett.24，1398(1999))。但在光熱偏轉(zhuǎn)技術中，因為探測光光束直徑小，光路調(diào)節(jié)困難，而信號重復性對光路調(diào)節(jié)非常敏感，因此實際測量中易出現(xiàn)較大的偏差，導致測量重復性差、測量誤差大。表面熱透鏡技術則在保持了光熱偏轉(zhuǎn)技術高靈敏度的同時，由于探測光束直徑大于激勵光束直徑，重復性得到了提高，但該方法需要對實驗構(gòu)型進行詳細優(yōu)化，實際調(diào)試較為繁瑣。另外，無論是在光熱偏轉(zhuǎn)技術還是在表面熱透鏡技術中，測量的信號都依賴于光學元件因熱膨脹產(chǎn)生的表面熱變形或光學元件內(nèi)部的折射率溫度梯度，這對于測量低熱膨脹系數(shù)基板材料或低折射率溫度系數(shù)基板材料的薄膜光學元件是一種限制，因此需要發(fā)展其他的方法來改善這一情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術解決問題克服現(xiàn)有薄膜光學元件吸收損耗測試技術的不足，提供一種測量光學薄膜吸收損耗的方法，該方法和激光量熱技術相比可以提高測量光學薄膜吸收損耗的時間和空間分辨率，和光熱偏轉(zhuǎn)或熱透鏡技術相比降低了實驗光路調(diào)試的復雜度和難度，減小了測量誤差，并可測量低熱膨脹系數(shù)基板材料或低折射率溫度系數(shù)基板材料的薄膜光學元件的吸收損耗，并可用于監(jiān)測薄膜元件吸收損耗的實時變化和光學性能穩(wěn)定性。
本發(fā)明的技術解決方案其特點在于一種測量光學薄膜吸收損耗的方法(1)采用一束強度周期性調(diào)制的功率瓦級或以上的高功率連續(xù)激光光束或脈沖激光光束，作為加熱光照射到被測光學薄膜元件上，該光學薄膜元件因吸收激光束能量導致照射區(qū)域溫度上升，引起該區(qū)域反射或透射光譜的漂移；(2)選擇一束波長靠近所述的光學薄膜元件反射或透射帶邊緣的功率毫瓦級或更低的低功率的連續(xù)激光作為探測光束，調(diào)整其入射角度使探測光波長處于待測光學薄膜元件被加熱前反射或透射光譜帶邊緣的最大斜率處，同時與加熱光束照到樣品的相同或相鄰位置；(3)由光電探測器監(jiān)測樣品反射或透射的全部探測光強度的變化，得到輸出電流或電壓信號，通過測量其變化量及其實時變化得到光學薄膜元件的吸收損耗值和光學性能穩(wěn)定性。
本發(fā)明的原理是將一強度周期性調(diào)制的高功率激光束(連續(xù)激光或脈沖激光，功率瓦級及以上)作為加熱激光束會聚后照射到光學薄膜元件的薄膜層，薄膜元件因吸收加熱激光束能量導致照射區(qū)域溫度周期性或瞬時變化，引起照射區(qū)域薄膜元件的反射或透射光譜帶發(fā)生周期性或瞬時漂移。用一束波長靠近薄膜元件反射或透射帶邊緣的低功率連續(xù)激光束(功率毫瓦級或更低)作為探測光入射到薄膜元件被加熱光照射區(qū)域，通過調(diào)整探測光的入射角度，使其波長處于薄膜元件反射或透射光譜帶邊緣斜率最大的波長位置，此波長的反射或透射率同時會由于溫度的變化而發(fā)生周期性或瞬時變化，用一聚焦透鏡將薄膜元件反射或透射的探測光會聚到光電探測器接收面上，得到薄膜元件反射或透射的探測光強度的實時變化。反射或透射光強度的變化與薄膜元件的吸收直接相關，因此該方法可用于薄膜元件吸收損耗的測量和光學性能的監(jiān)測，此外，通過掃描薄膜元件的橫向位置可實現(xiàn)吸收損耗的二維成像。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下優(yōu)點(1)和激光量熱技術相比，該方法測量光學薄膜吸收損耗的時間和空間分辨率高，并可用于吸收損耗分布的高分辨率成像。
(2)和其它光熱測量技術相比，該方法實驗構(gòu)型簡單、光路調(diào)節(jié)方便，穩(wěn)定性好，可提高測量重復性精度，減小測量誤差。同時該方法可測量低熱膨脹系數(shù)基板材料或低折射率溫度系數(shù)基板材料的薄膜光學元件的吸收損耗。
(3)由于該方法利用薄膜元件中薄膜內(nèi)部的溫度變化引起的光學薄膜反射或透射譜漂移的物理效應來測量薄膜元件的吸收損耗，和光熱測量技術相比，測量結(jié)果與基板材料的熱物理性質(zhì)的關系不大，因此可通過使用脈沖加熱激光束或高調(diào)制頻率的連續(xù)加熱激光束等辦法提高測量薄膜元件吸收損耗的靈敏度。


圖1為實現(xiàn)本發(fā)明方法的反射式測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為實現(xiàn)本發(fā)明方法的透射式測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明方法在測量時探測光波長及加熱光波長所處在光學薄膜元件的反射或透射譜中的位置示意圖。
具體實施例方式
如圖1、2所示，實現(xiàn)本發(fā)明方法的測量裝置可以為反射式測量裝置或透射式測量裝置，由加熱激光光源1、斬波器或聲光調(diào)制器2、反射鏡3、6和7、透鏡4、8和10、探測激光光源5、待測光學薄膜樣品9、探測器11、鎖相放大器12、數(shù)字示波器13組成。
本發(fā)明方法的具體實施如下加熱激光光源1的輸出光束經(jīng)光學斬波器或聲光調(diào)制器或電光調(diào)制器2強度調(diào)制后(調(diào)制頻率范圍1Hz1MHz，脈沖激光不經(jīng)過調(diào)制器)又經(jīng)反射鏡3反射改變方向由透鏡4聚焦到被測光學薄膜元件9的表面，同時斬波器2的輸出信號連接至鎖相放大器12作為參考信號。薄膜元件因吸收波長在反射或透射譜中心(見圖3)的加熱激光束的能量使照射區(qū)域溫度上升，引起該區(qū)域反射或透射譜的漂移。選擇合適探測激光波長和入射角度(范圍0.1 °-60°)，使探測激光束波長處于圖3所示的探測光波長1或探測光波長2位置，即反射或透射譜邊帶的最大斜率對應的波長位置。從探測激光光源5輸出的光束經(jīng)反射鏡6、7轉(zhuǎn)向后由透鏡8聚焦入射到被測薄膜元件9的表面被加熱激光束照射的相同區(qū)域，從樣品表面反射或透射的探測激光束由透鏡10會聚到光電探測器11的接收面上，得到光電探測信號。被測薄膜元件因吸收加熱激光束能量導致溫度變化而產(chǎn)生的反射或透射光譜的漂移改變了光學薄膜元件在探測激光波長的反射率或透射率變化，從而使反射或透射探測激光束的光強發(fā)生變化，通過光電探測器探測反射或透射探測光的直流量SDC(由示波器13讀出)及其交流變化量SAC(加熱光源為連續(xù)調(diào)制激光束時由鎖相放大器12讀出，加熱光源為脈沖激光束時由數(shù)字存儲示波器13記錄，SAC表示信號變化量的最大值)并將交流信號和直流量相除S＝SAC/SDC，得到信號的振幅和/或相位(脈沖激光束加熱時沒有相位值)。信號振幅及其振幅和/或相位的實時變化反映被測薄膜元件吸收損耗和光學性能的實時變化，通過使用已知吸收值的薄膜元件對測量信號進行定標，可以測量薄膜元件吸收損耗的絕對值，即 而通過沿元件表面方向橫向二維移動樣品9，可實現(xiàn)對樣品吸收損耗的二維成像。
權利要求
1.一種測量光學薄膜吸收損耗的方法，其特征在于(1)采用一束強度周期性調(diào)制的功率瓦級或以上的高功率連續(xù)激光光束或脈沖激光光束，作為加熱光照射到被測光學薄膜元件上，該光學薄膜元件因吸收激光束能量導致照射區(qū)域溫度上升，引起該區(qū)域反射或透射光譜的漂移；(2)選擇一束波長靠近所述的光學薄膜元件反射或透射帶邊緣的功率毫瓦級或更低的低功率連續(xù)激光作為探測光束，調(diào)整其入射角度使探測光波長處于待測光學薄膜元件被加熱前反射或透射光譜帶邊緣的最大斜率處，同時與加熱光束照到樣品的相同或相鄰位置；(3)由光電探測器監(jiān)測樣品反射或透射的全部探測光強度的變化，得到輸出電流或電壓信號，通過測量其變化量及其實時變化得到光學薄膜元件的吸收損耗值和光學性能穩(wěn)定性。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種測量光學薄膜吸收損耗的方法，其特征在于當所述步驟(1)中加熱光束為連續(xù)激光時，采用鎖相放大器記錄光電探測器輸出電流或電壓信號的一次諧波振幅和相位，通過定標得到被測光學薄膜元件吸收損耗及其實時變化情況。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種測量光學薄膜吸收損耗的方法，其特征在于當所述步驟(1)中加熱光束為脈沖激光時，采用數(shù)字存儲示波器或數(shù)據(jù)采集卡記錄光電探測器輸出電流或電壓信號隨時間的變化過程，通過定標得到待測光學薄膜元件吸收損耗及其實時變化情況。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種測量光學薄膜吸收損耗的方法，其特征在于所述的入射角根據(jù)被測光學薄膜元件實際測量的反射或透射光譜決定，在0.1°～60°之間變化，使探測光波長處于反射或透射光譜帶邊緣斜率最大的位置。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種測量光學薄膜吸收損耗的方法，其特征在于所述的加熱激光束照射光學薄膜元件薄膜層和探測激光束的中心位置重合或緊鄰。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種測量光學薄膜吸收損耗的方法，其特征在于在所述的光電探測器前加一聚焦透鏡，將薄膜元件反射或透射的探測光全部會聚到探測器的接收面上，得到反射或透射光強度的實時變化。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種測量光學薄膜吸收損耗的方法，其特征在于當加熱光為連續(xù)激光時，加熱激光束強度的調(diào)制采用機械斬波器調(diào)制，或者采用聲光調(diào)制器或電光調(diào)制器調(diào)制，調(diào)制頻率范圍1Hz～1MHz。
8.根據(jù)權利要求1所述的一種測量光學薄膜吸收損耗的方法，其特征在于當探測激光束相對于被測光學薄膜元件表面的入射角使反射或透射光偏振分離顯著時，要在探測器前面加偏振片，實時探測反射或透射偏振光強度的變化。
9.根據(jù)權利要求1所述的一種測量光學薄膜吸收損耗的方法，其特征在于使所述的光學薄膜元件沿表面方向橫向二維移動，實現(xiàn)對所測薄膜元件吸收損耗的二維分布成像。
全文摘要
一種測量光學薄膜吸收損耗的方法，其特征在于利用光學薄膜元件反射或透射光譜隨溫度變化而發(fā)生漂移的現(xiàn)象，選擇合適的探測光波長，調(diào)整探測激光束(低功率)相對于樣品表面的入射角度，使探測光波長處于反射或透射光譜帶邊緣斜率最大的位置。使用強度周期性調(diào)制的(高功率)連續(xù)或脈沖激光束作為加熱光照射薄膜元件薄膜層和探測光束相同或相鄰的位置，使探測光束從樣品表面反射或透射光強度受到調(diào)制或發(fā)生瞬時變化。用光電探測器監(jiān)測加熱激光束照射過程中薄膜元件反射或透射的探測光強度的實時變化監(jiān)視薄膜元件吸收損耗和光學性能的實時變化，并通過對信號振幅定標實現(xiàn)吸收損耗的絕對測量。另外，通過掃描薄膜元件的橫向位置可實現(xiàn)吸收損耗的二維高分辨成像。本方法在一定條件下可以提高吸收損耗測量的靈敏度。
文檔編號G01M11/02GK101082537SQ20071011869
公開日2007年12月5日 申請日期2007年7月12日 優(yōu)先權日2007年7月12日
發(fā)明者李斌成, 郝宏剛 申請人:中國科學院光電技術研究所