[发明专利]一种稀土钕铁硼表面镀膜厚度在线测量系统及测量方法

权利要求书

1.一种稀土钕铁硼表面镀膜厚度在线检测系统，其特征在于：包括宽谱光源(101)、扩束准直透镜(102)、起偏器(103)、分束器(104)、待测薄膜(105)、钕铁硼(106)、反射镜(107)、会聚透镜(108)、光谱仪(109)、计算机(201)和电动平移台(202)，所述宽谱光源(101)输出的激光经过扩束准直透镜(102)后变为平行光输出，该输出光经起偏器(103)起偏后变为一线偏振光，该线偏振光入射进一迈克尔逊干涉仪中，所述迈克尔逊干涉仪由分束器(104)、待测薄膜(105)、反射镜(107)和会聚透镜(108)组成，所述待测薄膜(105)通过磁控溅射等镀膜装置沉积在钕铁硼(106)表面，待测薄膜(105)表面的反射光和反射镜(107)的反射光经过分束器(104)后通过会聚透镜(108)会聚到光纤中，该光信号通过光谱仪(109)进行采集并通过计算机(201)进行数据处理，所述反射镜(107)可通过电动平移台(202)实现干涉仪光程差的调节，该电动平移台通过计算机(201)来实现控制，薄膜厚度测量原理如下所示：

光经过起偏器(103)后变为一线偏振光，假设起偏器(103)输出的线偏振光为Io(ω)，经过待测薄膜(105)的表面和反射镜反射的两路光可表示为Ix(ω)和Iy(ω)，由于光源为宽谱光源，而待测薄膜厚度一般为几百纳米，则两路反射光将发射干涉，该干涉光谱信号通过光谱仪(108)接收，光谱仪得到的光谱强度可表示为：

其中为两反射光之间的相位差，可表示为：

d为待测薄膜厚度，n为待测薄膜的折射率，λ为光源中心波长，假设光源光谱密度G(ω)为一光谱半高宽为Δω的高斯函数，则G(ω)可表示为：

G ( ω ) = 1 π Δ ω exp [ - ( ω - ω o ) 2 Δω 2 ] - - - ( 2 ) ]]>

Δω为光谱半高宽，由此可得光谱仪接收到的干涉条纹为：

I M ( z , d , ω ) = R o π Δ ω Δ ω ( Δω 2 + Δω R 2 ) 1 / 2 exp [ - ( ω - ω o ) 2 Δω 2 + Δω R 2 ] I ( ω ) × { 1 + exp [ - π 2 2 ( dΔω R c ) 2 ] cos ( 2 ω d c ) } - - - ( 3 ) ]]>

ΔωR为光谱仪响应函数的半高宽，上式转化为波长域时，可表示为：

I M ( d , ω ) = 1 π λ 0 2 ( Δ λ + Δλ R ) c exp [ - ( λ - λ o ) 2 Δλ 2 + Δλ R 2 ] ( I x ( ω ) + I y ( ω ) ) × { 1 + exp [ - π 2 2 ( dΔλ R λ 0 2 ) 2 ] cos ( 2 π d λ o ) } - - - ( 4 ) ]]>

上述公式表明，当干涉仪两臂光程差为π的整数倍时，会出现两个峰值强度相等的双峰干涉条纹，在该光程差处，干涉仪输出的光谱干涉条纹与干涉仪两臂光程差的变化具有最大的灵敏度，干涉仪两臂光程差的纳米级变化都将导致干涉光谱条纹两峰值波长的移动，通过光谱仪测量得到峰值波长的移动量，就可以得到待测薄膜的厚度，并且干涉光谱峰值波长的移动量有如下关系：

(λo-λpeak)/λo＝kd (5)

其中λpeak为峰值波长，k为比例系数，d为薄膜厚度，比例系数k可以根据式(4)计算结果来确定。

2.一种基于如权利要求1所述的稀土钕铁硼表面镀膜厚度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、测量光源的中心波长和光谱宽度；

步骤二、移动电动平移台(202)，使得光谱仪输出的干涉条纹出现两个干涉峰，并且两个干涉峰的强度大致相等；

步骤三、记录两个峰值所对应的波长大小；

步骤四、在镀膜过程中由于薄膜厚度的增加，这将导致干涉光谱峰值波长发生移动，持续采集得到的干涉条纹并记录干涉条纹的峰值波长；

步骤五、计算峰值波长的移动量，并根据公式(5)就可得到待测薄膜厚度。