光学薄膜光学特性检测中若干关键问题的研究

论文摘要

要制备高性能的光学薄膜器件,其光学特性测试的重要性是毋庸置疑的。随着光学薄膜设计与制备技术的发展,各种复杂结构薄膜器件的制备成为可能。设计出来的各种复杂的光学薄膜必须经过一系列特性检测才能最终用于生产实践;对各种光学特性的了解反过来又能指导和修正现有的设计。本课题在传统光学薄膜光学特性检测技术的基础上,对其中的若干关键问题加以讨论,设计了一整套针对光学薄膜光度特性、光学常数以及位相特性检测和反演的方案。论文主要涉及以下几个方面:1、光学薄膜光度特性检测系统的研究。在深入研究国内外各种光学薄膜光学特性检测技术的基础上,针对其局限性,设计了新型光谱透反射率测试系统,并从总体设计、元器件选择、硬件电路设计以及上位机软件编写四个方面对整个系统的设计方案加以阐述。重点介绍了几个关键功能的具体实现,包括倾斜光入射的处理、多角度反射率的测量、温度漂移特性的测量、偏振特性的测试及校准以及高精度数据采集系统的设计等等,且均给出了相应的实验结果,从而对其可行性与正确性加以验证。最后,将测试得到的数据与国外高档的商用分光光度计相比较,对该光谱测试系统进行了精度分析,详细分析了误差的主要来源,同时提出了相应的解决方法。2、光学薄膜光学常数反演方法的研究。主要研究了反演光学薄膜光学常数的几种方法,包括极值法、包络线法和光谱拟合算法,重点分析了基于优化算法的光谱拟合法的实现原理,将现今流行的优化算法,如单纯形法、模拟退火法和遗传算法等应用于光学薄膜光学常数的反演中,通过模拟和实验两方面加以验证,并分析了各种优化算法的优缺点以及各自的适用场合。此外,考虑到实际透射率的测试必定存在误差,对如何降低其对光学常数反演结果的影响作了详细的讨论和分析,提出并从理论上证明了可以借助透射(或反射)光谱对光学常数的偏导数来筛选反演计算的波段,从而抑制光学常数反演结果的误差。3、光学薄膜位相特性检测方法的研究。通过对国内外光学薄膜位相检测技术的研究,提出了包括傅立叶变换法、干涉强度拟合法、包络线法、节点拟合法以及小波变换法在内的多种位相提取算法。为了验证上述算法的正确性,搭建了用于位相测量的光谱型白光干涉系统,对制备的不同薄膜样品进行了位相信息(包括群延迟和群延迟色散)的测量,并将实验测得的位相值与理论值进行了对比,结果表明两者具有很好的一致性。考虑到位相测试(尤其是群延迟色散)中的噪声水平,采用窗口平滑的方法对其加以改善,并分析了窗口尺寸的选择对测试结果的影响。此外,进一步讨论了影响位相以及群延迟测试精度的几点因素,并提出了克服和解决的方法。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 薄膜技术的应用和发展
• 1.2 光学薄膜光学特性检测技术
• 1.2.1 光学薄膜光学特性检测技术所要解决的问题
• 1.2.2 光学薄膜光度特性及检测系统
• 1.2.3 光学薄膜光学常数的反演方法
• 1.2.4 光学薄膜位相特性及检测方法
• 1.3 本论文的主要研究内容和创新点
• 1.3.1 本论文的主要研究内容
• 1.3.2 创新点
• 参考文献
• 第二章 光学薄膜光度特性检测的研究
• 2.1 系统设计
• 2.1.1 总体设计
• 2.1.2 关键器件的设计与选择
• 2.1.3 控制系统设计
• 2.1.4 上位机软件设计
• 2.2 系统关键功能的实现
• 2.2.1 倾斜光入射测量
• 2.2.2 多角度反射率测量
• 2.2.3 偏振测试及自动校准
• 2.2.4 温度漂移特性测量
• 2.2.5 高精度数据采集系统
• 2.3 误差及精度分析
• 2.3.1 系统误差及解决方法
• 2.3.2 系统精度分析
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第三章 光学薄膜光学常数反演的研究
• 3.1 反演光学薄膜光学常数的理论基础
• 3.1.1 光学薄膜传输特性矩阵
• 3.1.2 光学薄膜的色散模型
• 3.2 光学薄膜光学常数的确定
• 3.2.1 透明薄膜光学常数的反演
• 3.2.2 弱吸收薄膜光学常数的反演
• 3.3 使用光谱拟合法确定薄膜的光学常数
• 3.3.1 程序总体框架
• 3.3.2 基于单纯形优化的光谱拟合法
• 3.3.3 基于模拟退火优化的光谱拟合法
• 3.3.4 基于遗传算法优化的光谱拟合法
• 3.4 实验结果及误差分析
• 3.4.1 待测薄膜样品的制备
• 3.4.2 实验结果与分析
• 3.4.3 光谱测试数据的误差对光学常数反演结果的影响
• 3.5 小结
• 参考文献
• 第四章 光学薄膜位相特性检测的研究
• 4.1 光学薄膜位相检测理论
• 4.1.1 位相调制薄膜应用的概述
• 4.1.2 基于白光干涉的位相检测理论
• 4.1.3 光学薄膜的位相特性
• 4.2 使用光谱型白光干涉系统测量薄膜位相的实现方案
• 4.2.1 光谱型白光干涉系统
• 4.2.2 基于傅立叶变换和频域滤波的位相算法
• 4.2.3 基于干涉强度拟合的位相算法
• 4.2.4 基于干涉条纹包络线的位相算法
• 4.2.5 基于局部节点拟合的位相算法
• 4.2.6 基于小波变换和时频分析的位相算法
• 4.3 实验装置及测试结果分析
• 4.3.1 测试系统的搭建
• 4.3.2 位相测试的结果及分析
• 4.3.3 群延迟测试的结果及分析
• 4.3.4 测试误差分析
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 总结与展望
• 攻读博士学位期间发表文章目录