光纤频谱仪测试膜厚的新技术研究

　　1　引　　言

　　在微测量中,测试膜的厚度是一个重要而实用的方向。传统的方法,如迈克尔逊干涉仪[1]测试膜厚,无法直接测出干涉条纹移动的条目数,而且干涉条纹的清晰程度直接影响测试精度,所以必须提高仪器测试精度以得到清晰的干涉条纹,光学系统较为复杂,一般需要激光做为光源。X射线干涉法[2],可以实现纳米级的测量,其条纹分割的可靠度比光学干涉法高,但这种方法只能测量最小膜厚,而不能测量任意位置的膜厚。

　　椭圆偏振法[3]是测量膜厚的常用方法,精确度高,不需要事先知道膜的折射系数,但这种方法必须事先制好曲线和数表,但生产偏振仪的厂家所提供的曲线和数表有限,需要使用者自己计算,该方法繁琐,使用不够灵活。

　　本文方法是通过对入射光在薄膜上下表面所产生的两束反射光束的干涉谱的测量,测算薄膜上下界面反射光之间的光程差,从而计算得到测得膜的厚度,以及膜的折射率的数值。Brecht等[4]用这种方法做过生物膜层的测试工作。

　　该系统的创新之处在于在光纤的测试端,入射和反射光通过同一根光纤,不需要外加参考光束得到干涉条纹,直接测量反射光的光谱即可得到膜厚和折射率的数据。该方法具有以下优点:不需要检测干涉条纹;可以测试膜的任何位置的厚度;不需要事先制定曲线和数表;实时测量;简单实用;灵敏度高;适合反射光强比较弱的情况;测试精度高。适合对微米级透明薄膜厚度的实时检测。

　　2　膜厚测试原理

　　膜厚测试原理如图1所示。宽带白光光源发出的光通过透射率高的薄板玻璃射向厚度为d、折射率为n的薄膜表面时,在薄膜的上下表面分别产生反射光束。图1所示为玻璃基底上薄膜的反射情况。

　　入射光透过玻璃射向薄膜,在玻璃——薄膜界面处发生反射,形成第一束反射光。入射光线继续向前,透过薄膜射向空气,在薄膜——空气的界面处再次发生反射,然后透过玻璃,形成第二束反射光。两束反射光经过与入射光纤相同的光纤传输至分光光度计。

　　当膜的折射率较低时,光在薄膜内的反射很弱,多次反射的情况基本不用考虑,不会出现多束相干光的情况,所以只需要考虑单次反射光发生相干的情况。由于膜有一定的厚度,第一束光与第二束光之间存在光程差δ,δ=2dcosi,i为光的入射角,在近垂直入射的条件下,i近似为零度,所以δ=2dcosi=2dcos(0)=2d。

　　在白光的相干长度内,光程差的存在使两束反射光之间可能会发生光的干涉。设第一束反射光的光强为I1,第二束的为I2,根据Fresnel公式,干涉光的光强由下式给出:

　　由于I1和I2强度接近,可近似认为两者相等。设I1=I2=IR,上式可简化为: