[实用新型]基于谱域干涉仪的折射率和厚度同步测量系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及谱域干涉(Spectralinterferometry)技术，尤其涉及一种基于谱域干涉仪的折射率和厚度同步测量系统。

背景技术

折射率是表征材料光学特性的重要参量，对于光学设计、光波传播等科研和工业领域都有着广泛的影响。折射率与材料本身的微观结构相关，并随外界参量如温度、电磁场、压力等的变化而变化，从而产生一系列的光学现象，如光的色散效应、克尔效应、法拉第效应、光弹效应等。因此精确测量材料的折射率以及折射率随外界参量变化的函数关系具有重要意义。

目前，测量透明样品厚度与折射率有多种方法，大部分是基于低相干迈克尔逊干涉仪的技术。低相干光源的谱域干涉技术在用于分析光学系统中近光学表面的反射特性所取得的效果引起了极大的关注，当该技术被应用于光学工程，生物医学等领域时获得了一系列重大的突破，如D.Huang1991年提出了光学层析相干技术(opticalcoherencetomography，OCT)1-4，该技术于1995年被G.J.Tearney用于测量高散射人体组织的折射率，A.B.Vakhtin2003年提出的频域共路OCT技术，X.Liu2008年提出的傅里叶域光纤OCT技术等。与此同时，相关技术也被用于同步测量透明样品的几何厚度和折射率。W.V.Sorin1992年提出的利用光学低相干反射技术同步测量样品几何厚度与折射率，J.Na2009年提出的采用自参照光谱干涉法测量几何厚度与折射率，P.Hlubina2001年提出了无补偿迈克逊干涉仪白光光谱干涉法测量石英玻璃中的折射率的发散情况，G.D.Gillen2005年提出的使用迈克尔逊、法布里-珀罗(FP)分别独立测量晶片几何厚度和折射率，P.H.Tomlins2008年提出的光学相干折射技术，S.Kim2008年提出的采用共路低相干技术同步测量样品厚度与折射率等。OCT技术最初采用双臂迈克尔逊干涉技术，后来发现共路干涉技术更紧凑、更稳定3，4。比如使用迈克尔逊、法布里-珀罗(FP)集成技术8，改进型OCT技术9，共焦低相干技术等10。

以上提到的各项现有技术都有各自的适用范围，也都存在一定的局限性。具体说来，白光光谱干涉技术需要对迈克尔逊干涉仪的参考镜进行精确移动7；基于法布里-珀罗干涉技术和改进型OCT技术，需要精确控制样品本身的旋转角度8，9；这种精确移动本身很难达到较高精度，导致存在较大的系统误差。双臂白光迈克尔逊干涉仪不需对系统部件和样品进行移动5，6，但需要将被测样品紧贴着参考镜放置，导致难以将被测样品放入用来改变外部参数(温度、压力等)的设备中。并且以上现有技术都需要对放置和不放置样品两种状态进行两次测量才能够测量出被测样品的几何厚度和折射率信息；这种两次测量的模式，势必会由于外界环境的不一致，导致测量误差增大；并且这种两次测量的模式，工作效率较低。

实用新型内容

本实用新型提供基于谱域干涉仪的折射率和厚度同步测量系统，其能够对被测样品一次测量即可同时得到被测样品的折射率和厚度信息。

该系统采用谱域低相干干涉技术，两束光平行的在同一样品臂中传播，只有其中一束光透过被测样品。被测样品作为一个低精细度巧妙的FP标准具提供了非常重要的补偿信息。该系统装置紧凑，结构稳定，不需要移动任何部分，一次即可完成测量。在不影响放置能调节外部温度场与热膨胀系数的温控设备的条件下该被测样品能被放置在光路中的任何位置。

具体内容如下：

本实用新型一种基于谱域干涉仪的折射率和厚度同步测量系统，包括宽带光源、光纤环行器、样品臂、光谱仪和计算机，其中，样品臂包括第一光纤准直镜、被测样品、第一聚焦透镜和平面镜，光谱仪包括第二光纤准直镜，衍射光栅、第二聚焦透镜和探测器CCD。进入样品臂的探测光束一部分透过被测样品被收集和分析，另一部分光束不透过被测样品被收集和分析，探测器CCD探测从样品前、后表面反射回来的的光信号、从平面镜反射回来的经过以及不经过样品的光信号。

所述宽带光源与光纤环行器的第一端口相连，光纤环行器的第二端口与样品臂中的第一光纤准直镜相连接；样品臂中的第一光纤准直镜和第一聚焦透镜放置在平面镜的前侧，被测样品放置在第一光纤准直镜与第一聚焦透镜之间，且只允许一部分的光束透过被测样品；光纤环行器的第三端口与光谱仪连接，分别经过第二光纤准直镜，衍射光栅、第二聚焦透镜，对准探测器CCD，光谱仪中的探测器CCD与计算机连接，计算机进行数据处理。