多功能光学角谱仪的精密测量和仪器标定【字数：13961】
多功能光学角谱仪是非常重要的、精密光学角度谱测量设备，它可以实现0.0000785度的角分辨率，检测到小角度下反射率的微小变化，在微角度变化下监控折射率和绘制角度谱具有很大的优势。本论文主要研究如何在现有的多功能光学角谱仪的条件下，采用模拟数据和实际数据想对比的方法，实现并观察玻璃平片和硅片的反射率角度谱，利用全反射与菲涅尔公式等原理方法完成玻璃平片、硅片等光学材料折射率的测量，并保持误差在±0.1的范围内。在此基础上，通过表面等离子共振（SPR）技术和衰减全反射（ATR）原理，测量空气和不同浓度的Nacl溶液的SPR曲线，确定Nacl溶液浓度与折射率之间的线性关系曲线。
目录
1. 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 国内外发展现状 1
1.3 论文主要研究的内容 2
2. 多功能光学角谱仪 4
2.1 多功能光学角谱仪的结构装置及光路原理 4
2.2 分光片分光比的测量 5
2.3 本章小结 6
3. 光学角谱仪的一般应用测量 7
3.1 介质分界面及菲涅尔反射原理 7
3.2 固体材料反射率测量 10
3.2.1双光束干涉现象 10
3.2.2硅片反射率的测定 12
3.2.3玻璃平片反射率的测定 14
3.2.4高反玻璃反射率的测定 17
3.3 固体材料折射率测量 17
3.3.1透明塑料和玻璃平片折射率的测定 17
3.3.2硅片折射率的测定 21
3.4 本章小结 22
4. 液体折射率的测量 24
4.1 SPR技术与衰减全反射原理 24
4.2 测量装置的实现 26
4.3 测量与仿真 27
4.4 本章小结 30
5. 总结与展望 31
参考文献 32
致谢 34
1. 绪论
1.1 引言
当今社会生产中，薄膜的应用越来越广泛。微电子薄膜、光学薄膜、抗氧化薄膜、高温超导薄膜等在工业生产和人类生活中的不断应用和发展。特别是近 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
些年来光通信技术火热，行业发展势头迅猛，对于集成光学器件的研究越来越引起人们的关注，而光波导薄膜作为光器件的基础，是集成光学器件的重要组成部分。为了提高各类光波导器件的性能，对波导各种参量的表征是必不可少的。分析和测量薄膜的光学参数是选取良好薄膜进行试验研究和工业应用的前提保证，只有在此基础上才能进一步分析、设计、优化光波导器件。其中，折射率和厚度是光波导薄膜生产中最为重要的两项参数，直接关系到该薄膜材料是否能运用到正常的生产研究中。
随着科技的进步和精密仪器的应用，薄膜折射率和厚度的测量方法有很多。常用方法有光度法[1]、阿贝法[2]、干涉法[3]、棱镜耦合法[45]、椭圆偏振法[6]等。棱镜耦合法由于测量精度高、装置简单、测试方便快捷等优点，在实际的测量实践中非常受欢迎。
1.2 国内外发展现状
上世纪 90 年代后，一些国家相继开发用于光波导参数测量的仪器，以美国和韩国的技术最为先进，开发的产品在世界的范围内最受欢迎。其中，最具代表性的两家企业分别是美国的Metricon[7]公司和韩国的Sairontech[8]公司，分别生产棱镜耦合薄膜厚度/折射率测量仪和棱镜耦合波导测量仪，主要功能包括薄膜材料厚度和折射率的测量、平面波导损耗测量及体材料折射率的测量等。目前，这两家公司已经基本上垄断了光波导参数测量仪器的国际市场。
在国内，相对较成功的仪器却不多，以上海交通大学导波光电子器件的研发实验室研制开发的具有自主知识产权的光波导测量仪较为突出。此仪器已逐步推广应用于很多高校的教学科研中去。其仪器性能指标与上面两家公司同类产品的比较如下表所示[9]。
表1.1 国内外产品对比
研制单位
美国Metricon公司
韩国Sairontech公司
上海交大导波光学实验室
折射率测量范围
1.02.65
1.02.4
1.05.0
折射率精度
0.001
0.001
0.001
折射率分辨率
0.0005
0.0005
0.0005
续表1.1
研制单位
美国Metricon公司
韩国Sairontech公司
上海交大导波光学实验室
折射率分布拟合
用逆WKB方法拟合
用逆WKB方法拟合
用逆ATM方法拟合
表面折射率
无法测量
无法测量
可以测量
厚度测量范围
0.2μm30μm
0.2μm15μm
0.2μm500μm
波导损耗测量方法
用泄漏模方法测量
传输线的CCD成像方法
从上表中可以看出，部分指标如折射率精度、折射率分辨率三家研制的仪器产品相近，但某些指标，上海交大导波光学实验室研制的仪器具有一定的优势，主要有三点。
第一，常用测量波导薄膜折射率和厚度的方法为 m 线方法，这种方法由于受到棱镜的限制，折射率测量范围不能大于棱镜折射率，因此折射率测量的范围只能在 1.0~2.65。而上海交大提出的自由空间耦合方法可不受棱镜的限制，可使折射率和厚度的测量范围大幅度提高，自由空间耦合的原理已发表于 Appl.Phys.Lett[10]。
第二，现有的光波导折射率分布的拟合一般都用逆 WKB 方法，但该方法仅适用于缓变折射率分布，而对变化较快的折射率分布，其精确度难以保证。而上海交大使用逆分析转移矩阵（逆 ATM）方法，可克服 WKB 近似固有的缺点，具有优于逆 WKB 法的性能的优势[11][12]。
第三，虽然利用 m 线方法实现导模有效折射率的测量并通过逆 ATM 或逆 WKB 方法可拟合波导折射率轮廓，但 m 线方法无法测量波导的表面折射率。上海交大导波光学实验室目前已发展了一种利用表面等离子波测量波导表面折射率的新方法，消除了传统方法在确定表面折射率过程中相对高的自由度，使波导折射率分布的确定更具科学性和精确度。
目录
1. 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 国内外发展现状 1
1.3 论文主要研究的内容 2
2. 多功能光学角谱仪 4
2.1 多功能光学角谱仪的结构装置及光路原理 4
2.2 分光片分光比的测量 5
2.3 本章小结 6
3. 光学角谱仪的一般应用测量 7
3.1 介质分界面及菲涅尔反射原理 7
3.2 固体材料反射率测量 10
3.2.1双光束干涉现象 10
3.2.2硅片反射率的测定 12
3.2.3玻璃平片反射率的测定 14
3.2.4高反玻璃反射率的测定 17
3.3 固体材料折射率测量 17
3.3.1透明塑料和玻璃平片折射率的测定 17
3.3.2硅片折射率的测定 21
3.4 本章小结 22
4. 液体折射率的测量 24
4.1 SPR技术与衰减全反射原理 24
4.2 测量装置的实现 26
4.3 测量与仿真 27
4.4 本章小结 30
5. 总结与展望 31
参考文献 32
致谢 34
1. 绪论
1.1 引言
当今社会生产中，薄膜的应用越来越广泛。微电子薄膜、光学薄膜、抗氧化薄膜、高温超导薄膜等在工业生产和人类生活中的不断应用和发展。特别是近 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
些年来光通信技术火热，行业发展势头迅猛，对于集成光学器件的研究越来越引起人们的关注，而光波导薄膜作为光器件的基础，是集成光学器件的重要组成部分。为了提高各类光波导器件的性能，对波导各种参量的表征是必不可少的。分析和测量薄膜的光学参数是选取良好薄膜进行试验研究和工业应用的前提保证，只有在此基础上才能进一步分析、设计、优化光波导器件。其中，折射率和厚度是光波导薄膜生产中最为重要的两项参数，直接关系到该薄膜材料是否能运用到正常的生产研究中。
随着科技的进步和精密仪器的应用，薄膜折射率和厚度的测量方法有很多。常用方法有光度法[1]、阿贝法[2]、干涉法[3]、棱镜耦合法[45]、椭圆偏振法[6]等。棱镜耦合法由于测量精度高、装置简单、测试方便快捷等优点，在实际的测量实践中非常受欢迎。
1.2 国内外发展现状
上世纪 90 年代后，一些国家相继开发用于光波导参数测量的仪器，以美国和韩国的技术最为先进，开发的产品在世界的范围内最受欢迎。其中，最具代表性的两家企业分别是美国的Metricon[7]公司和韩国的Sairontech[8]公司，分别生产棱镜耦合薄膜厚度/折射率测量仪和棱镜耦合波导测量仪，主要功能包括薄膜材料厚度和折射率的测量、平面波导损耗测量及体材料折射率的测量等。目前，这两家公司已经基本上垄断了光波导参数测量仪器的国际市场。
在国内，相对较成功的仪器却不多，以上海交通大学导波光电子器件的研发实验室研制开发的具有自主知识产权的光波导测量仪较为突出。此仪器已逐步推广应用于很多高校的教学科研中去。其仪器性能指标与上面两家公司同类产品的比较如下表所示[9]。
表1.1 国内外产品对比
研制单位
美国Metricon公司
韩国Sairontech公司
上海交大导波光学实验室
折射率测量范围
1.02.65
1.02.4
1.05.0
折射率精度
0.001
0.001
0.001
折射率分辨率
0.0005
0.0005
0.0005
续表1.1
研制单位
美国Metricon公司
韩国Sairontech公司
上海交大导波光学实验室
折射率分布拟合
用逆WKB方法拟合
用逆WKB方法拟合
用逆ATM方法拟合
表面折射率
无法测量
无法测量
可以测量
厚度测量范围
0.2μm30μm
0.2μm15μm
0.2μm500μm
波导损耗测量方法
用泄漏模方法测量
传输线的CCD成像方法
从上表中可以看出，部分指标如折射率精度、折射率分辨率三家研制的仪器产品相近，但某些指标，上海交大导波光学实验室研制的仪器具有一定的优势，主要有三点。
第一，常用测量波导薄膜折射率和厚度的方法为 m 线方法，这种方法由于受到棱镜的限制，折射率测量范围不能大于棱镜折射率，因此折射率测量的范围只能在 1.0~2.65。而上海交大提出的自由空间耦合方法可不受棱镜的限制，可使折射率和厚度的测量范围大幅度提高，自由空间耦合的原理已发表于 Appl.Phys.Lett[10]。
第二，现有的光波导折射率分布的拟合一般都用逆 WKB 方法，但该方法仅适用于缓变折射率分布，而对变化较快的折射率分布，其精确度难以保证。而上海交大使用逆分析转移矩阵（逆 ATM）方法，可克服 WKB 近似固有的缺点，具有优于逆 WKB 法的性能的优势[11][12]。
第三，虽然利用 m 线方法实现导模有效折射率的测量并通过逆 ATM 或逆 WKB 方法可拟合波导折射率轮廓，但 m 线方法无法测量波导的表面折射率。上海交大导波光学实验室目前已发展了一种利用表面等离子波测量波导表面折射率的新方法，消除了传统方法在确定表面折射率过程中相对高的自由度，使波导折射率分布的确定更具科学性和精确度。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/dzxx/gdxx/20.html
