一種用于介質內測量薄膜厚度和折射率的裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于介質內測量薄膜厚度和折射率的裝置，屬于光學測量【技術領域】。自半導體二極管發出的光線經非球面準直透鏡準直后，以一定的角度入射到衍射光柵，再經衍射光柵衍射，其一級衍射被原路反射回，零級衍射經可拆卸的光隔離器后，再經過半波片，入射到F-P腔形成光反饋，其反饋光依次通過第二PBS、第一PBS后，被PD探測器檢測，通過示波器顯示出來，實現對反饋光強度和光譜特性的檢測。本發明裝置解決了介質內薄膜厚度和折射率的測量問題，且大幅度提高測量精度。該裝置操作簡單，穩定。
【專利說明】一種用于介質內測量薄膜厚度和折射率的裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于介質內測量薄膜厚度和折射率的裝置，屬于光學測量【技術領域】。
【背景技術】
[0002]光經過反射膜的反射，s分量和P分量的相位發生改變。通常s和P分量之間的相對相位差可以用橢圓偏振儀來測量，如圖1所示，LD發射的光經起偏器后，入射到樣品上，其反射經檢偏器后，被探測器ro檢測。以此進一步可測量薄膜厚度和折射率，但是這類橢圓偏振儀測量的條件都限制從空氣入射到介質的測量，且傳統的橢圓偏振儀測量精度有限。而對于從介質入射到空氣方式下的薄膜厚度和折射率的測量，目前尚未有相關的報道。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是為解決從介質入射到空氣的薄膜厚度和折射率的測量問題，提出一種用于介質內測量薄膜厚度和折射率的裝置，利用F-P腔的共振曲線來測量介質內s和P之間的相對相位差，進而準確測量薄膜厚度和折射率。
[0004]一種用于介質內測量薄膜厚度和折射率的裝置，包括半導體二極管、非球面準直透鏡、衍射光柵、半波片、可拆解的隔離器、PD探測器、F-P腔、F-P腔壓電陶瓷和F-P腔熱沉。
[0005]所述F-P腔包括第一高反射膜、第二高反射膜和被測反射膜。第一高反射膜和第二高反射膜，均為平面結構，成一定角度放置，構成F-P腔的兩端反射面，反射率能達到99.9%。所成角度能保證光束分別垂直入射第一高反射膜和第二高反射膜。待測反射膜作為平面環形F-P腔的入射面和輸出耦合面。
[0006]F-P腔壓電陶瓷粘在F-P腔的第一高反射膜上，用于F-P腔的快速頻率調諧。
[0007]所述可拆解的隔離器包括第一偏振分束器(PBS)、第二 PBS和磁極。第一 PBS、第二 PBS通過磁極連接。第一 PBS和第二 PBS能分別順時針或者逆時針旋轉。
[0008]所述半波片能沿順時針或者逆時針旋轉。
[0009]非球面準直透鏡位于半導體二極管與衍射光柵之間，與半導體二極管同軸，位于衍射光柵的左側位置，成衍射光的入射角；可拆解的隔離器位于衍射光柵的右側位置，成第一衍射角；ro探測器位于第一 PBS的正下方；半波片位于可拆解的隔離器iso與被測反射膜中間，與可拆解的隔離器iso共軸。
[0010]自半導體二極管發出的光線經非球面準直透鏡準直后，以一定的角度入射到衍射光柵，再經衍射光柵衍射，其一級衍射被原路反射回，零級衍射經可拆卸的光隔離器后，再經過半波片，入射到F-P腔形成光反饋，其反饋光依次通過第二 PBS、第一 PBS后，被ro探測器檢測，通過示波器顯示出來，實現對反饋光強度和光譜特性的檢測。通過改變半波片HWP改變入射到待測反射膜平面的偏振方向，不僅可得到S偏振方向和P偏振方向的共振曲線，還可以得到s偏振和P偏振同時共存的偏振曲線，當半波片HWP調節到s偏振和P偏振之間時，得到待測反射膜平面內的共振曲線。
[0011]有益效果
[0012]本發明裝置解決了介質內薄膜厚度和折射率的測量問題，且大幅度提高測量精度。該裝置操作簡單，穩定，具有很強的實用價值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為【背景技術】中的橢圓偏振儀；其中，A為激光源，b為起偏片，c為相位補償儀1，d為待測膜，e為相位補償儀2，f為檢偏片，g為探測器；
[0014]圖2為本發明的用于光密介質內相對相位差測量的裝置結構示意圖；
[0015]圖3為【具體實施方式】中用于光密介質內相對相位差測量的裝置實例；
[0016]圖4為【具體實施方式】中薄膜反射和透射示意圖；
[0017]圖5為【具體實施方式】中薄膜介質的多光束反射和透射意圖。
[0018]標號說明:1:半導體二極管，2:半導體激光管熱沉，3:非球面準直透鏡AL，4:非球面準直透鏡調整架，5:光柵固定架，6:衍射光柵GT，7:可拆卸光隔離器中的第一 PBS，8:磁極B，9:可拆卸光隔離器中的第二 PBS，10:PD探測器調整架，11:PD探測器，12:探測器固定架，13:半波片，14:半波片固定架，15 =F-P腔壓電陶瓷，16:底板，17:調節架定板，18:F-P腔熱沉，19:F-P腔，20:調節架動板，21:調節架壓電陶瓷，22:微調螺釘，23:光隔離器固定架。
【具體實施方式】
[0019]為進一步說明本發明的優點和目的，下面結合實例對本
【發明內容】
做進一步說明。
[0020]本發明的用于光密介質內相對相位差測量的裝置如圖2所示。圖3給出了這種用于光密介質內相對相位差測量的裝置實施例。
[0021]本實施例中第一高反射膜和第二高反射膜平面是利用低傳輸損耗的光學石英玻璃作為材料，在圖2的3個光學表面中，A點所在表面為折疊面和輸入輸出稱合面，P偏振，s偏振的反射率同為為93%。C點和D點所在的表面構成等效共焦F-P腔的兩端反射面，其反射率為99.9%。
[0022]功率30mW波長為689nm的半導體二極管I發出的激光光束，經過焦距為4mm，數值孔徑為0.6的非球面準直透鏡AL3準直后，以一定的角度入射在刻線密度為2400g/mm、具有合適的衍射效率、刻線面積大小為12.5mmX12.5mm、厚度為6mm的全息衍射光柵6上,其一級衍射原路返回，反饋回半導體二極管I。零級衍射光經過可拆卸光隔離器ISO以及半波片13后，以入射角45°入射到待測反射膜上,在兼做輸入輸出耦合面上的待測反射膜的A點入射(由光學石英玻璃材料加工)，入射光在A點發生反射和折射。其中折射進入F-P腔的光束部分，入射在鍍有高反射膜C點，折回到A點，形成諧振，F-P腔19的諧振光作為反饋光沿著與原入射光束共線反向的路徑，被可拆卸光隔離器ISO的第一個PBSl (7)反射后，被H)探測器11檢測。通過掃描光柵6的PZT，F-P腔的光譜結構通過示波器顯示出來。
[0023]半導體二極管I采用溫度傳感器和半導體激光管熱沉2實現溫度控制。F-P腔19采用溫度傳感器和F-P腔熱沉18實現溫度控制。F-P腔19的諧振頻率可通過粘接在該腔上的壓電陶瓷15的方法和對F-P腔熱沉18精密控溫技術分別作快速小范圍細調和慢速大范圍粗調，而通過驅動光柵6的PZT，實現對激光頻率的掃描。通過微調螺釘22或粘接在動板上的壓電陶瓷21改變單塊子腔19的反饋角度。在改變角度的過程中，固定在粘有壓電陶瓷21調節架動板20上的F-P腔19和F-P腔熱沉18隨著動板20 —起旋轉，進入F-P腔19的光束方向也隨著調節架動板20的轉動改變相同的角度，實現反饋光原路返回。
[0024]非球面準直透鏡調整架4用于固定非球面鏡及激光束準直的調整，F-P腔19通過熱沉18固定在調節架動板20上，光隔離器通過23固定在底板上，調節架動板20可通過定板17上的微調螺釘調整，調節架定板17，半導體激光管熱沉2，非球面準直透鏡調整架4，光柵固定架5均被固定在底板16上。
[0025]光線從半導體二極管發出的激光光束輸入面上，以一定的角度入射全息衍射光柵上，再經過可拆卸的光隔離器后，通過半波片，入射到2個高反射膜平面，其反饋光原路返回，經過隔離器的第一個偏振分束器反射后，被探測器接收，使用示波器等檢測設備檢測其反饋，從而實現對反饋光強度和光譜特性的檢測.通過改變半波片HWP改變入射到待測反射膜平面的偏振方向，不僅可得到s偏振方向和P偏振方向的共振曲線，還可以得到s偏振和P偏振同時共存的偏振曲線，當半波片HWP調節到s偏振和P偏振之間時,待測反射膜平面內的共振曲線。FSR由計算可得，s偏振和相鄰的P偏振的頻率差為Λ Vd，因此s和P之間的頻率差Λ ν=Ν* Λ νΟ土 Λ VdGHz0 Δ ν0為相鄰之間的頻率差，N為整數。
[0026]對待測反射膜平面進行相對相位差的計算。2個高反射膜平面共同構成F-P腔的幾何腔L=30mm。共振光在A點的反射角29°，總的相位差可由公式:
[0027]Δ φ =2 * Δ v*t (I)
[0028]其中光在單塊腔內傳播一周的時間t=2*n*L/c，其中c為光在真空中傳播速度，其值為299792.458km/s。η為折射率，L指F-P腔長。
`[0029]另一方面總的相對相位差為各個反射點產生的相對相位差之和。設Λ δ 1、Λ δ 3、Δ δ 4分別為Α、C、D點反射產生的s和ρ之間的相對相位差。
[0030]Δ δ 3為垂直球面反射C點產生的相位差，由于該光束垂直入射到鍍膜面，s和ρ的相位差約為-π弧度，Δ δ 4為垂直球面D點反射產生的相位差,s和ρ的相位差約為-π弧度，Λ δ I為在A點反射產生的的相位差，總的相位差可由
[0031 ] Δ φ =2* Δ δ 1+Δ δ 3+Δ δ 4
[0032]=-2X180。+2* Δ δ I (2)
[0033]由于單塊入射耦合面鍍膜的原因，入射耦合面上的反射產生的s和ρ的相對相位差并非嚴格的-η弧度，但不應該偏離太遠，其值應該在-η弧度附近，根據這一原則，選取合適的N以及符號，得到Λν+Ν*ΛνΟ= AvdGHz0據此可得Λν，根據公式(1)，可得總相位差。這個值代入(2)反推出Λ δ?，可得在A點s和ρ之間的相對相位差，如圖5所示。圖中ΘΒ、分別為布魯斯特角和全反射角。
[0034]2、薄膜折射率測量，β指相位，I Ei I為幅度，Ei為電場強度
【權利要求】
1.一種用于介質內測量薄膜厚度和折射率的裝置，其特征在于:包括半導體二極管、非球面準直透鏡、衍射光柵、半波片、可拆解的隔離器、ro探測器、F-P腔、F-P腔壓電陶瓷和F-P腔熱沉； 所述F-P腔包括第一高反射膜、第二高反射膜和被測反射膜；第一高反射膜和第二高反射膜，均為平面結構，成一定角度放置，構成F-P腔的兩端反射面，反射率能達到99.9% ;所成角度能保證光束分別垂直入射第一高反射膜和第二高反射膜；待測反射膜作為平面環形F-P腔的入射面和輸出耦合面； F-P腔壓電陶瓷粘在F-P腔的第一高反射膜上，能對F-P腔進行頻率調諧； 所述可拆解的隔離器包括第一偏振分束器、第二偏振分束器和磁極；第一偏振分束器、第二偏振分束器通過磁極連接； 非球面準直透鏡位于半導體二極管與衍射光柵之間，與半導體二極管同軸，位于衍射光柵的左側位置，成衍射光的入射角；可拆解的隔離器位于衍射光柵的右側位置，成第一衍射角；ro探測器位于第一偏振分束器的正下方；半波片位于可拆解的隔離器ISO與被測反射膜中間，與可拆解的隔離器ISO共軸； 自半導體二極管發出的光線經非球面準直透鏡準直后，入射到衍射光柵，再經衍射光柵衍射，其一級衍射被原路反射回，零級衍射經可拆卸的光隔離器后，再經過半波片，入射到F-P腔形成光反饋，其反饋光依次通過第二偏振分束器、第一偏振分束器后，被ro探測器檢測，通過示波器顯示，實現對反饋光強度和光譜特性的檢測。
2.根據權利要求1所述的一種用于介質內測量薄膜厚度和折射率的裝置，其特征在于:第一偏振分束器和第二偏振分束器能分別順時針或者逆時針旋轉。
3.根據權利要求1所述的一種用于介質內測量薄膜厚度和折射率的裝置，其特征在于:所述半波片能沿順時針或者逆時針旋轉。
【文檔編號】G01B11/06GK103759661SQ201310537707
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年11月4日 優先權日:2013年11月4日
【發明者】彭瑜 申請人:北京理工大學