反射率测量技术研究的进展

引　言

反射率测量技术是计量领域中的一个重要研究方向,它有许多具体的测量方法[1~10]。如何选择合适的方法,目前尚无这方面的技术评述。从结构上,反射率测量系统由光源、测量原理、测量主体及探测器等4部分组成,其中测量主体是用来实现测量原理的光路装置,它由待测样品和其它辅助光学镜片构成。根据反射率测量原理可分为两大类:第1类是(单)多次反射法,其中多次反射法可以看成是在单次反射法的基础上,利用实验技巧,改进测量主体,增加待测样品上的光束反射次数的测量方法;第2类是基于谐振腔特性的测量方法,这些特性分别是谐振腔的精细度参数、损耗猝灭特性和脉冲能量衰荡特性。本文中在误差分析的基础上,论述和分析了各种测量技术的原理及其优缺点,介绍了国内外反射率测量技术的发展现状及其目前技术水平。

1　单、多次反射法

这类方法的测量结果受光源稳定性影响很大,故在其误差分析中,主要考虑光源强度起伏的影响。根据检测光束在待测样品上的反射次数k,它可具体分为单次反射法、二次反射法、多次反射法。设I2是无样品时的光强,I1是加入待测样品后的光强,则样品反射率和相对测量误差为:

显然,在样品上反射次数越多,测量精度就越高。单次反射法可利用简单光路或分光光度计(见图1a和图1b)进行测量,它对光源稳定度依赖性较强,测量精度较低,常用于精度要求不高的光学实验。二次反射法(见图1c)因其光路形状也称WV法,如中科院上海光机所的GFS高反射测量仪[1],在可见光区的测量精度≤±5×10-4;在红外区的测量精度≤±1×10-3。

多次反射法(见图2a和图2b)有助于提高测量精度。其最初的光源是由氢灯、氚灯、钨丝灯、卤钨灯等通过色散器件获得的单色光,这类光源的光谱调谐范围宽,但其单色亮度低、方向性差,限制了反射次数。当激光出现后,由于其单色亮度高、方向性好,推动了多次反射法的运用与发展。因为在谐振腔内,能够很好地实现光束在待测样品上更多次数的反射,所以,基于谐振腔的多次反射技术(光延迟线法)逐渐被用于高精度反射率测量方法中。图2c中的测量主体是多程室,对插入镜片进行测量[2],测量精度优于2×10-4;也可对腔镜进行测量,对于R>98%的红外镀金膜腔镜,实验中测量相对误差为0.1%左右[3]。

2　基于谐振腔特性的测量方法

激光的出现,促进了谐振腔在反射率测量技术中的应用。谐振腔的特性参数有精细度参数、损耗猝灭特性和脉冲能量衰荡特性等等。根据特性参数的不同,这类反射率测量技术具体分为腔内脉冲能量衰荡法、谐振腔损耗比较法以及利用谐振腔精细度的测量法。