计算机辅助检测光学薄膜参数特性的一种方法探讨

　　1　光学薄膜应用特性概述

　　随着现代科学技术的发展,光电子技术已被普遍认为是二十一世纪高科技发展的主要方向。在能量光电子产业中所有光学仪器、光学装置均离不开光学干涉薄膜,可以说光学薄膜已被广泛应用于光电子产业中。

　　光学的薄膜特性是在薄膜内的干涉效应,应用光学干涉薄膜可得到各种各样的光学特性,它可减少表面的反射,增加元件的透射率;或者增加表面的反射 率,减少透射率;或者在一个波段内给出高的反射率(透射率),低的透射率(反射率),而在其余的波段则有低的反射率(透射率),高的透射率(反射率);也 可以使不同的偏振平面有不同的透射、反射特性等等。

　　在薄膜技术中,薄膜特性的检测是十分重要的。为获得任何一种预期特性的光学薄膜,应严格对镀膜前、镀膜中和镀膜后进行必要的测试,这些测试包括 光学性质、光学常数和理化性质,其中镀膜后和镀膜制备过程中光学薄膜参数的测量是必不可少的,特别是对于薄膜自动化制备技术中的膜系实时修正和监控尤为重 要。所以光学薄膜特性检测是薄膜技术发展中非常重要的内容。

　　2　光学特性的计算方法简介

　　在一个多层薄膜系统中,光束将在每个界面上多次反射,因此,涉及到大量光束的干涉。由于直接用多光束干涉的特征计算光学特性非常繁琐和困难,通常采用单光束计算来确定多层膜系的特性,即矩阵连乘积的方法。这种方法构成了光学薄膜解析设计的基础。

　　2.1　单层介质膜的反射率矩阵

　　根据平面电磁波的单一界面的反射和折射原理,在界面上应用边界条件为:

　　式中E和H都是指电场或磁场的切向分量的大小,E+0为入射光波电矢量;E-0为入射光波被多层膜反射的反向电矢量;η为有效导纳。振幅反射系 数为r=(η0-η1)/(η0+η1)。这是入射情形的推广,可见垂直入射的结果也适用于倾斜入射的情形,只是在计算P-分量的反射率时用η=n /cos(θ),计算S-分量时用η=n.cos(θ)代入,(其中θ为入射角,n为折射率),然后由(Rs+Rp)/2得到自然光合成的反射率。

　　设膜层和基片组合的导纳是Y,由(1)可得YE0=H0。单层膜的反射系数为r= (η0-Y)/(η0+Y))利用边界条件和(1)我们可以推导出组合导纳Y。从而得到一个薄膜特征矩阵表达式。即:

　　其中i为虚数即,δ为相位厚度,即δ1=2π/λ·n1d1·conθ1,对P-分量η1=n1/ cosθ1,而对S-分量,η1=n1d1·cosθ1,n1d1是膜层的光学厚度。矩阵定义为基片和薄膜组合的特征矩阵