[发明专利]一种测量光学薄膜吸收损耗的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种对光学薄膜元件参数的测量方法，特别是光学薄膜吸收损耗的测量方法。

背景技术

吸收损耗是衡量光学薄膜性能的重要指标之一，尤其是在高功率激光应用中，吸收损耗不仅引起光学薄膜元件的热畸变，使激光束的光束质量降低，还会降低薄膜抗激光损伤的能力，限制激光器和激光系统中所能输出和传输的最高功率。同时薄膜吸收损耗的准确测量对于优化膜层设计和镀膜工艺以提高薄膜元件的性能也十分重要。因此，必须发展能准确测量光学薄膜吸收损耗的高灵敏测试技术手段。

传统的分光光度法、消光系数法等测试方法无法满足测量低吸收损耗低于10^-4)的要求。目前，激光量热法是测量光学元件吸收损耗的国际标准，其最大的优点是能直接测量吸收损耗的绝对值，不需要定标，测量灵敏度高(优于10^-6-李斌成，熊胜明等；激光量热法测量光学薄膜微弱吸收，《中国激光》33：823(2006))，且装置简单，调节方便。缺点是响应时间较慢，光照射时间长，所测量的结果反映的是光照时间内的吸收损耗的平均值，时间分辨率低，测量灵敏度与装置设计和制备中的诸多因素密切相关，且空间分辨率低，不便于实现吸收分布的二维高分辨率成像，一般也不适合测量大尺寸薄膜元件。光热偏转技术和表面热透镜技术等基于光热技术的方法是测量薄膜元件吸收损耗的有效方法，与时域调制和锁相测量技术相结合具有极高的测量灵敏度(L.Gallais and M.Commandr é，Photothermaldeflection in multilayer coatings：modeling and experiment，AppliedOptics，44(25)，5230(2005)；B.Li，S.Martin，and E.Welsh，Pulsedtop-hat beam thermal lens measurement on ultraviolet dielectriccoating，Opt.Lett.24，1398(1999))。但在光热偏转技术中，因为探测光光束直径小，光路调节困难，而信号重复性对光路调节非常敏感，因此实际测量中易出现较大的偏差，导致测量重复性差、测量误差大。表面热透镜技术则在保持了光热偏转技术高灵敏度的同时，由于探测光束直径大于激励光束直径，重复性得到了提高，但该方法需要对实验构型进行详细优化，实际调试较为繁琐。另外，无论是在光热偏转技术还是在表面热透镜技术中，测量的信号都依赖于光学元件因热膨胀产生的表面热变形或光学元件内部的折射率温度梯度，这对于测量低热膨胀系数基板材料或低折射率温度系数基板材料的薄膜光学元件是一种限制，因此需要发展其他的方法来改善这一情况。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有薄膜光学元件吸收损耗测试技术的不足，提供一种测量光学薄膜吸收损耗的方法，该方法和激光量热技术相比可以提高测量光学薄膜吸收损耗的时间和空间分辨率，和光热偏转或热透镜技术相比降低了实验光路调试的复杂度和难度，减小了测量误差，并可测量低热膨胀系数基板材料或低折射率温度系数基板材料的薄膜光学元件的吸收损耗，并可用于监测薄膜元件吸收损耗的实时变化和光学性能稳定性。

本发明的技术解决方案：其特点在于：一种测量光学薄膜吸收损耗的方法：

(1)采用一束强度周期性调制的功率瓦级或以上的高功率连续激光光束或脉冲激光光束，作为加热光照射到被测光学薄膜元件上，该光学薄膜元件因吸收激光束能量导致照射区域温度上升，引起该区域反射或透射光谱的漂移；

(2)选择一束波长靠近所述的光学薄膜元件反射或透射带边缘的功率毫瓦级或更低的低功率的连续激光作为探测光束，调整其入射角度使探测光波长处于待测光学薄膜元件被加热前反射或透射光谱带边缘的最大斜率处，同时与加热光束照到样品的相同或相邻位置；

(3)由光电探测器监测样品反射或透射的全部探测光强度的变化，得到输出电流或电压信号，通过测量其变化量及其实时变化得到光学薄膜元件的吸收损耗值和光学性能稳定性。