對高反射率薄膜反射率的測量方法和系統設計尹明202305901000光學薄膜，是指在一塊透明的平整玻璃基片或光滑金屬外表，用物理或化學的方法涂敷的單層或多層透明介質薄膜。光照射在光學薄膜后，會產生透射，反射，吸收，散射等等性質變化。其中反射薄膜正是光學薄膜應用中相當重要的一面。通過本學期物理光學的學習，我們小組對高反射薄膜的反射率測量產生了濃厚的興趣。在查閱了相關的資料和論文之后，我們得到了一些成果。我們在查閱資料的過程中發現，反射膜反射率的精確測定在當今光學工程中有著重大意義，對于提高鍍膜工藝，改善激光陀螺的性能等等方面起著十分重要的作用。目前測量超高反射率的方法主要有兩類：一類為單，屢次反射法，這類方法的測量結果受光源穩定性很大，在其誤差分析中主要考慮光源強度起伏的影響。根據檢測光束在待測樣品上的反射次數分為單次反射法，二次反射法和屢次反射法。此類方法常用于精度要求不高的光學實驗，提高測量精度的途徑為改良光源的穩定性。而另一類更為普遍的測量方法那么是以光學諧振腔為根底，如光延遲線的測量法，光腔衰減光譜方法及利用光學諧振腔的精細度測定的方法等等。該測量方法的精細度主要取決于對各種測量方法的誤差分析，理論推導。我們小組對與測量薄膜反射率提出了以下幾種不成熟的想法，具體如下：一、基于光腔衰減方法的改良實驗裝置我們小組首先對于利用光腔衰減方法測量薄膜反射率提出了一些設計。通過測定諧振腔的衰減時間來確定反射率的方法稱為衰減時間法，也稱為光腔衰減方法。此方法靈敏度極高。其根本原理見于下列圖：在經過小組討論后，我們設想了一種更為便捷的方法。根本思路是在衰減時間法測量反射率的實驗裝置根底上加以簡化，即是否能舍掉M1，M與M2構成的諧振腔而直接由待測鏡〔兩個〕構成諧振腔，再由計算機對透射光進行處理，求出腔的衰減系數，進而求出反射率。其根本原理如下列圖：由于衰減時間法測量反射率的靈敏度極高，為10的-6次方量級，我們設想的方法即可以降低諧振腔的損耗，提高測量結果的精確率，不過這種設想只是主觀推測，具體能否實際可行還需實驗的真實測量。誤差：對于此種方法，誤差的主要來源為諧振腔中的損耗因素即幾何偏折損耗，衍射損耗，腔中介質的吸收散射損耗等，與衰減時間法測量反射率的誤差來源根本一致。精度提高：本方法精度提高的途徑有盡量降低除反射不完全外的其余損耗，并可以將影響較大的損耗考慮到計算公式內。二、兩次反射測量薄膜反射率在查閱文獻后，我們了解了單，屢次反射法測量反射率的方法，設I2是無樣品時的光強，I1是參加待測樣品之后的光強，那么樣品反射率和相對誤差為：顯然反射次數越多，測量精度越高。反射次數少時對光源的穩定性要求更高，現在假設有一臺光學性能十分穩定的光源，我們小組在此根底上設計了一款利用二次反射法測量薄膜反射率的實驗裝置。其根本原理見于下列圖：上圖測量系統中，精度為10的-2次方量級，誤差的主要來源為兩次反射角度的微小差異，以及光源的穩定性。提高精度的方法有增加反射次數，此時要求設備的角度十分精確，更加穩定的光源也能提高精度。三.、關于利用激光發射器產生的激光，和激光擴束鏡，以及鍍有高反射薄膜〔待測薄膜〕的凹面鏡，和靈敏光測量計的綜合應用測量薄膜的反射率.關鍵詞：激光，激光擴束鏡，會聚作用的凹面鏡，光強測量計。在查閱了有關資料后，我們小組發現了一種基于積分球的絕對反射率測量技術。詳情如下：絕對反射率是區別于一般的相對反射率測試方法而提出的，即它的反射率測試的實現不需要反射率的標準樣片。積分球是應用于光度測量中的重要光學附件，它的特性在于具有很好的混光特性，經積分球出射的光束認為是理想的漫反射光，下面介紹了基于積分球這一光學特性的絕對反射率測量原理。積分球又稱光度球，它是一個內壁均勻噴涂具有郎伯漫射特性材料的球形空腔，一般由兩個半球殼組裝而成。最早在19世紀90年代用于光源的光度測量，很快捷就在許多方面得到了應用。現在它已成為輻射度，光度，色度測量中不可缺少的設備。積分球所以被廣泛應用，本質上在于它的混光特性。一束光進入積分球后，經屢次漫反射，就形成一個理想的漫射源。這樣就可以消除被測樣品的不均勻性和測量器件受光面的不均勻性帶來的影響。另外積分球還是一個理想的消偏振部件，從而消除了測量中偏振的影響。如上圖所示，一束光通量為φ0ΔΣ的光輻射經開口S2進出內球半徑為r的積分球內，投射在內壁S3上。經涂層屢次漫反射后，除一局部通量經開口S2射出外，其余局部那么在積分球內外表形成均勻的照明。設積分球內壁涂層的反射率為R，那么入射光照射到積分球內壁一次反射后，留在積分球內部的光通量為φ1，那么φ1=Rφ0從積分球開口處射出的光通量為：△φ1=φ1S2/S=Rφ0S2/S那么第一次經S2孔出射后積分球內的光通量為：φ’1=φ1-△φ=Rφ0〔1-S2/S〕同理，經積分球內壁第二次反射后，從積分球開口處射出的光通量為：φ2=Rφ1△φn=φ2S2/S=R2φ0〔1-S2/S〕S2/S依次得：△φn=S2/SR^nφ0(1-S2/S)^(n-1)那么從積分球開口處射出的總光通量為：△φΣ=△φ1+△φ2+……+△φn=Rφ0·S2/S·{1/1-S2/S}那么從開口處出射的光照度E為：E=Rφ0/4πr2·1/1-R(1-f)式中f為開口面積S2與積分球內壁外表積之比即S2/S，從式中可以看出入射光束經球壁屢次漫反射后整個球壁上任意一位置的光照度均相等，它與入射光束的光通量，涂層漫反射率R成正比，與積分球的半徑r成反比。嘁出射孔的光通量等于出射光照度與出射孔面積的乘積，因此出射光通量與出射光照度值成正比。對于實際使用的積分球，一般都開口三個，即入射孔，探測器空和樣品孔，因此對應的上式中的參數f應當為開口總面積之和與內壁外表積的比值。資料顯示，一般用于光度測量的積分球，由于要阻擋光束直接照射到探測器上，一般都在探測器孔加擋屏，從而對積分球內壁均勻性帶來影響，因此要求其開口總面積要小于積分球內壁總面積的10%,開口面積越小越有利于積分球內光輻射出射度的穩定性。同時，增大積分球的直徑也可以很好的提高積分球內光輻射出射度的穩定性，其負面影響是降低了出射孔的輻照度，因為它和積分球的直徑的平方成反比。此外，增大積分球內壁涂層的反射比，也會有效地提高出射孔的照度，但會增加出射孔處輻照度對涂層的反射比變化的敏感度。實際中使用的涂層涂料應該具有光譜選擇性好，反射比高的特點，常用的積分球涂料主要有氧化鎂，硫酸鋇，聚四氟乙烯等，他們的光譜反射特性在可見光，近紅外相當平坦。對于遠紅外其涂料那么用硫，其在3μm~12μm的平均反射比高達0.94，只在11.2μm處有一吸收帶。資料中的基于積分球的絕對反射率測試方案：根據絕對反射率的測試原理而進行的測試方案的設計應注意以下設計原那么：第一：保證兩測試光在入射積分球前的光通量大小相等；第二：對兩測試光漫反射后的光通量的測量應有同一光電探測器來實現；第三：由于被測樣品的反射率可能很高，兩測試光的光通量差值很小，且要求反射率測試精度越高越好，這就要求光電探測器和相應的光電轉換電路有很高的靈敏度。根據測試方案的設計原那么，提出了利用掃描振鏡對入射積分球的測試光束進行調制，即由光源發出的一測試光束經過以一定頻率擺動的掃描振鏡反射，那么反射光束在一定角度內實現掃描，并使光束分別掃描至積分球內壁和被測樣品上，這樣既保證了兩測試光束在入射積分球前的光通量大小相等，而且兩測試光束在積分球內分時發生漫反射，那么在積分球探測器孔處安裝一個光探測器即可實現對兩測試光束光通量的分時測量。由于被測樣品反射率可能很高，兩被測光束的光通量差值很小，在選擇好靈敏度很高的光電探測器后還必須有靈敏度很高的光電轉換電路來分辨兩測試信號。當采用掃描振鏡后相當于實現了以掃描振鏡的掃描頻率來對測試光束進行調制，因此被測光信號經過光電轉換電路后得到的是以掃描振鏡的掃描頻率變化的電壓信號，對于這種微小差異變化的電壓信號通過鎖相放大器來測量其微小差值能夠獲得更高的測試精度，這也是采用掃描振鏡對測試光是進行調制的另一個重要原因。假設通過光電轉換電路先測得入射光束直接經過積分球內壁漫反射的測試光束對應的電壓值U0，利用鎖相放大器測試得到兩測試光是的微小電壓差值△U后那么對應的被測樣品的反射率值Rc為:Rc=〔Uo-△U〕/U0樣品的反射率越高，光通量的差值越小，電壓差值△U也越小，因此要求光探測器和光電探測電路有很高的靈敏度和穩定性，才能更好的實現反射率精確測量。因此，本課題提出的絕對反射率測試的總體方案為：基于積分球的理想漫反射光學特性，利用掃描振鏡將入射光調制為在一定的小角度范圍內的周期性掃描，使入射光束分別入射到積分球內壁和被測式樣上，利用光電探測器探測入射光束直接射入積分球經漫反射后的光通量和入射光進入積分球經被測量樣鏡反射后再被積分球漫反射的光通量，然后經光電探測器和光電轉換電路接受，并由鎖相放大器精確測試得到由于被測樣品反射率引起的微小差異電壓信號，從而最終得到被測樣品的反射率值。根本的測量原理框圖如圖:需要注意的是由于鎖相放大器的工作原理是只對參考信號同頻率同相位的測試信號進行鎖相和放大，因而會有很高的檢測靈敏度。易知測試的輸入信號變化頻率與掃描振鏡掃描頻率一致，因此鎖相放大器的參考頻率應為掃描振鏡的掃描頻率。對于光源的選擇，只要求光源具有很好的穩定性和均勻性即可，因此選用常用的氦氖激光器發射的單色激光光束即可，在進行多個波段的反射率測量中光源可以更換為光柵單色儀來實現。在這一反射率測量方案中，對測量精度和穩定性影響最大的是光束經掃描振鏡反射面引入的兩測試光的光強差異，因為掃描振鏡的反射鏡是鍍有鋁膜的高反射鏡，當一束光經擺動的反射鏡反射時，對應的兩束反射光的入射角不同，那么反射光束對應的反射率也不同，因此兩反射光的光前也不同，而本測試方案要求入射積分球的兩路測試光束光照度值完全相等即光通量完全相等，因此必須消除因光束對振鏡入射角不同而引起的這一誤差。系統精度分析：在對光學測試系統和光電檢測點了點設計的根底上，進行了整體測試系統的連調和整體測試電路的搭接調試，并進行了相關的測試實驗。測試電路主要包括光電轉換電路，帶桶濾波器和前置放大電路，當測試信號為微小差異信號且不易準確測量時，那么通過鎖相放大器來實現微小差異信號的檢測。在整體測試系統的連調上需要注意的幾點有：①保證測試光束在毫無遮擋的條件下入射至積分球內。②保證入射光束是以小角度入射至積分球內壁和被測鏡片上，保證經鏡片反射的反射光束照射至積分球內壁而不是由入射孔出射。③保證兩測量光束經積分球漫反射的光輻射量都均勻的等概率的由光探測器接受，最后還要保證測試環境的空氣潔凈，減少激光傳輸過程中由于空氣中的微粒引起的激光散射損耗。④測試應該在暗室條件下進行，盡量減少環境光引起的噪聲影響。為最大限度減小噪聲，光電探測器與積分球的接地端應連接在一塊。在進行這一微小差異信號測試之前，應先對靜態的光功率大小用光功率計測試，再由測試電路測試其靜態直流輸出電壓大小，使輸出電壓小于運放的最大輸出。在實驗測試中設定掃描振鏡的掃描頻率為100hz。影響測試光路系統的誤差因素主要有掃描振鏡的反射所引起的誤差和光程不相等所引起的光能量的不等。掃描振鏡所引起的誤差主要是因掃描振鏡的擺動而使激光的入射角不相等而引起的反射率不相等的誤差，對于直接以小角度擺動的情況，當入射角小于5°，振鏡擺角小于0.5°時，振鏡的反射率誤差小于0.2·10^(-4).而當對振鏡的入射方式采用改良之后的光路時，振鏡的擺動并沒有改變入射角，反射率也不會發生變化，因而不會引入誤差。光程不相等引起的誤差主要是指兩測試光束分別照射到測試樣品和積分球內壁上的光程不相等引起的光能損耗誤差，該誤差的大小通過實驗測試來進行了確定，具體測試方法為使用標準光功率計對沖激光器發出的激光束在不同的傳輸距離處進行測試，在距激光器1m處的光功率值為2.635mw，在1.2m處測得光功率值為2.633mw，測試發現由光程不等引起的相對誤差很小只有0.08%，因此可以忽略其對整體測試系統的影響。測試電路系統的主要誤差有光電探測器本身特性所引起的噪聲，由本文上面的分析可知，測試系統各局部對測試結果的誤差中和小于萬分之一，但是與實際實驗測量結果相比，測量精度只有0.05%。因此影響測試系統的測試精度的主要誤差為測試電路系統的系統誤差。資料中的方案完成了測試光路系統的設計和搭建，主要包括積分球個參數的設計和制作，掃描振鏡的選擇和調試，掃描振鏡擺角確實定以及掃描振鏡與積分球相對位置確實定。并設計和制作調試了測試電路系統，研究探索了減小測試電路噪聲的技術放大和措施，并應用于本測試電路中有效的降低了電路噪聲，使用鎖相放大器很好的提高了測試的準確性和可靠性。進行了整體測試系統的調試，選取反射率已標定過的測試樣品，對樣品進行測試，驗證測試系統的可靠性和準確度，對測試系統進行改良并能很好的到達測試重復性的根底上，再標定系統的測試精度，最后分析驗證了影響測試精度的各主要誤差因素。該設計通過基于積分球的反射率測試方法的實驗探索性研究，完成了相應的反色好了測試裝置的搭建和調試。在對實際樣品測試的根底上給出了系統的測量誤差為0.05%，分析驗證了影響精度的主要誤差因素，主要有：掃描振鏡的反射所引起的誤差，主要是掃描振鏡反射率的不穩定行一如很大的隨機誤差；測試電路系統中雖然光探測器本身噪聲對測試電路有影響，但引入的誤差很小，主要誤差是整體測試電路的系統誤差，產生的主要原因是測試光路系統穩定性不高，測試環境不夠潔凈雜光影響，集成運放和電路自身的噪聲等造成了測試系統的系統誤差較大，還有就是測試電路系統的靈敏度不高，使得鎖相放大器提取的微小差異電壓信號太小，很容易被系統誤差所淹沒，導致測試精度的有限。通過對該反射率測試系統的實現很好的驗證了該剛方案的可行性。該系統有待提高的方面有：1，為了進一步提高測試系統的穩定性，可以對測試光路系統進行改良，由于在積分球的設計中希望能測試的鏡片的尺寸范圍較大，因此測試孔開孔有些偏大，引入了不必要的環境誤差，因此最好將積分球開孔孔徑變小，測試孔最后能將積分球因有一定厚度而引入的臺階通過結構的改良將其消除，從根本上消除測試中出現的尖刺現象，另外對于測試孔位置們最后通過光路的轉折，將其調整積分球正上方，使測試鏡片能夠很方便的置于測試孔處。2，假設將積分球改為容易翻開閉合的形式，該測試系統還可以實現對光學薄膜吸收和散射的測量，但是由于測試光強很微弱，必須更換光探測器來實現吸收和散射的測量。3，通過對測試電路系統的改良優化，講測試的電壓信號通過模數轉換電路變為數字量，利用單片機進行控制和計算，將測試的最終物理量反射率值通過相應的數據處理顯示模塊直接顯示處理，并完成最終的測試精度標定，使測量系統實現儀器化。在歸納總結了上述方案后，我們小組在它的根底上進行了自己的拓展和設計，得到了以下改良方案：實驗原理：利用激光器發生產生的激光，經過激光擴束鏡的作用，讓其變成出射的平行光，在利用鍍膜的凹面鏡對其進行會聚作用，會聚到焦點處，再利用光強測量計對其進行測量，通過反射光與原光強的比值，從而測得反射率。激光擴束原理衍射通常我們以光束的發散參數作為完美的高斯激光束的特征。發散是指光波在其空間傳播過程中以一定角度展開。甚至完美的沒有任何異常的光線也會由于衍射效應經歷某些光束的發散。衍射是指光線在被不透明的物體，比方刀鋒切斷的時候產生的彎曲效應。展開〔spreading〕產生于在切斷的邊緣發出的次級波面陣。這些次級波和主波會發生干預，同時相互也會產生干預，在某些時候就會形成復雜的衍射圖案。衍射使得完美的校準光束成為不可能，或者說不能夠將光束聚焦到無限小的點。幸運的是衍射的效果是能夠被計算的。因此存在著可以預知對于任何衍射極限的透鏡光束被準直的程度和光斑大小的理論。我們現在考慮一束這樣由低功率TEM00氣體激光器產生的光束，光腰為S0。這樣我們就能夠假定它能夠到達衍射極限同時能夠不用考慮任何熱透鏡效應。它將會顯現出由于衍射引起的光腰的彎曲，或者說展開效應：S(x)=S0[1+(λx/πS0²)²]½在這里x是指離開光源的距離，λ是指激光波長，如果λx/πS