光频电磁波在薄膜结构中传播的空间干涉现象研究及应用

论文摘要

信息技术正在经历从电子学、光电子学到光子学的发展。随着社会文明的发展,人们对信息量的需求呈现爆炸性增长的趋势,迫切需要提高荷载信息的容量和加快处理信息的速度。以光子或光波代替电子或电磁波作为信息的载体是高速率和大容量现代信息技术发展的重要特点之一。二十一世纪将出现光子信息时代。光子学是一门具有极强应用背景的学科,已产生了一系列新颖光子技术,诸如光子的发生（激光技术）、光传输、光调制和开关、光存储、光探测、光显示技术等等。作为技术的基础和先导,通过先进光子材料和器件的研制,能够促使各种光子技术获得实际应用,这要求新型光子材料和器件具有较短的响应时间、低维（如薄膜结构）和易于集成的特点。在本论文中,围绕光子薄膜的重要应用需求,首次较系统地研究了光频电磁波在薄膜中传输时发生的光子空间干涉的现象和原理,所获得结果将有助于提高光子薄膜材料和器件的性能,促进光子技术的发展。论文的内容主要包括了以下几方面:第一章首先简述了光子学和光子技术的应用背景,光子薄膜结构是众多光子技术应用的基础和先导,叙述了薄膜光学的重要基础—光子干涉的现象和原理,进而说明了本论文研究的目的和意义。第二章详细论述了研究中所采用的实验系统与方法,包括等离子体辅助电子束蒸发镀膜系统的原理、结构和操作方法;薄膜参数的两种重要表征方法:扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）;介绍了用于测量薄膜干涉的椭圆偏振测量术;最后描述了制备SiO2薄膜的最佳工艺条件。在研究中,采用扫描电子显微镜（SEM）测量样品的表面形貌;采用X射线光电子能谱（XPS）测量了薄膜元素的化学态和化学配比;采用椭圆偏振光谱方法测量了SiO2薄膜的光学性质,研究和分析了各种工艺条件（射频等离子辅助功率、生长速率和衬底温度等）对薄膜物理性质和光学性质的影响,获得了最佳的薄膜生长工艺条件和规律。第三章从麦克斯韦方程组出发,详细阐述了光波在单层和多层薄膜材料中传播的干涉规律的经典理论。第四章详细讨论了光子在薄膜材料中传播的空间干涉规律。首先在椭偏实验测量中观察到一种非正常现象——当光程差d=p,2p左右时,利用光波在薄膜材料中传播的经典干涉规律和经典椭偏学测量模型拟合计算出的椭偏参数值严重偏离实验测量值。本文对这种现象产生的原因进行了深入分析,首次提出了光频电磁波在薄膜结构中传播时的空间干涉模型,对经典椭偏学测量模型进行了修正,并用于实验结果的分析,获得了新模型与实验数据很好吻合的结果。所给出的考虑空间干涉效应的光学薄膜公式将可用于光子薄膜材料和器件设计、分析和性能测试,有助于提高器件性能,促进光电子信息技术的发展。最后对本论文的工作进行了总结,并对今后的工作提出了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 光子学与光子技术
• 1.1.2 光子薄膜材料是光子技术发展的基础和先导
• 1.1.3 光子薄膜材料的基础——干涉原理
• 1.2 本论文研究的目的和意义
• 1.3 参考文献
• 第二章 光子薄膜材料生长的实验和特性检测方法
• 2.1 等离子体辅助电子束蒸发薄膜生长系统的结构原理
• 2.2 薄膜参数的表征方法
• 2.2.1 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.2.2 X射线光电子能谱（XPS）
• 2.3 薄膜干涉的测量方法——椭圆偏振光谱测量术
• 2.3.1 椭圆偏振光谱学测量原理
• 2.3.2 RAP型椭圆偏振光谱仪
• 2光子薄膜制备的最佳工艺参数'>2.4 SiO₂光子薄膜制备的最佳工艺参数
• 2.5 参考文献
• 第三章 经典理论——光波在薄膜结构中传播的干涉规律
• 3.1 光波在单层膜结构中传播的干涉规律
• 3.1.1 光波在单层膜结构中多重反射的干涉规律
• 3.1.2 光波在单层膜结构中多重透射的干涉规律
• 3.2 光波在多层膜结构中传播的干涉规律
• 3.2.1 光波在多层膜结构中多重反射的干涉规律
• 3.2.2 光波在多层膜结构中多重透射的干涉规律
• 3.3 参考文献
• 第四章 光频电磁波在单层薄膜结构中传播的空间干涉现象的研究和应用
• 4.1 非正常的实验结果——被忽略的空间效应
• 4.2 新现象的理论解释——光子在单层薄膜结构中传播的空间干涉规律
• 4.2.1 光子在单层膜结构中多重反射的空间干涉规律
• 4.2.2 光子在单层膜结构中多重透射的空间干涉规律
• 4.3 新模型的应用——椭偏学测量模型的修正
• 4.4 实验结果与讨论
• 4.5 参考文献
• 第五章 总结与展望
• 5.1 论文工作总结
• 5.2 论文工作展望
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢