[发明专利]基于光纤衰荡腔测量纳米级薄膜厚度的方法

说明书

本发明公开了一种基于光纤衰荡腔测量纳米级薄膜厚度的方法，随着薄膜厚度变化，通过lens反射回光纤衰荡腔内的损耗随之变化，导致脉冲信号的衰减时间发生改变，根据多组已知厚度的标准薄膜样品通过检测得到对应标准薄膜样品的衰荡时间，建立薄膜厚度与衰荡时间的线性关系曲线或线性关系方程式，然后根据测得的待测薄膜样品的衰荡时间并结合薄膜厚度与衰荡时间的线性关系曲线或线性关系方程式得到待测薄膜样品的厚度。本发明的测量系统结构紧凑，测量过程简单，方便快捷，并且测量灵敏度较高；采用低增益和低噪音掺铒光纤来减少波形失真并补偿腔内噪音衰减；利用掺铒光纤放大器来补偿腔内损耗增加脉冲峰数以提高纳米级薄膜厚度的测量精度。

技术领域

本发明属于纳米级薄膜厚度测量技术领域，具体涉及一种基于光纤衰荡腔测量纳米级薄膜厚度的方法。

背景技术

随着薄膜技术和光电器件的广泛应用，光学薄膜已广泛应用于武器装备的基础研究及特种器件的研制与生产中。面对武器装备和新型光电器件不断更新和发展的现状，精密测量对光学薄膜各种参数提出了更高的要求。薄膜厚度是薄膜设计和工艺制造中的关键参数之一，特别是纳米级薄膜技术的迅速发展，使得精确测量薄膜厚度成为薄膜技术研究领域中的热点问题，引起技术人员的高度关注。

传统的测厚仪主要采用透射法和反射法两类，其中透射法是将待测薄膜放在光源和传感器之间，传感器接收光源发出的光通过待测薄膜并且和待测薄膜的有机分子相互作用过的光，此时透射光衰减的强度和通过的被测薄膜的厚度有一定的关系；反射法是指传感器接收到的光是光源发出的光投射到待测薄膜表面后反射回来的光，一般应用于不透明、易反射的薄膜测量。经过对比两种测量方法，发现反射法测量薄膜厚度的反射光信号的接收是一个不易解决的问题，即传感器位置放置不易确定，同时由于反射信号微弱，会导致测量稳定性变差，容易受到影响，使整个系统的设计变得复杂，可靠性降低，应用范围也十分小，不能实现对透明薄膜的厚度测量。与此不同，透射法的光路结构相对比较简单，光源与接收器之间的位置也容易确定，系统的稳定性也就得到保证，基于光纤环腔衰荡光谱技术的高灵敏度的优点，本发明设计了一种采用透射法测量纳米级薄膜厚度的方法。

发明内容

本发明为解决现有技术中反射光信号弱、系统结构复杂、可靠性低及应用范围小的问题而提供了一种基于光纤衰荡腔测量纳米级薄膜厚度的方法，该方法通过光纤环腔衰荡光谱技术实现纳米级薄膜厚度的测量，通过分析、研究在光纤衰荡腔结构下纳米级薄膜厚度改变引起的光衰减的光衰荡信号来实现纳米级薄膜厚度的测量。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，基于光纤衰荡腔测量纳米级薄膜厚度的方法，其特征在于：由依次通过光纤相连的第一光纤耦合器、3.6km单模光纤、掺铒光纤放大器、第二隔离器、环形器和第二光纤耦合器构成光纤衰荡腔，第一光纤耦合器依次通过光纤与第一隔离器和激光源连接，该激光源依次通过线路与半导体激光调制器和数字信号发生器相连，第二光纤耦合器通过光纤与光电探测器相连，该光电探测器通过线路与示波器相连，环形器的旁路端口连接有带光纤的lens，标准薄膜样品或待测薄膜样品放置于lens之前，当数字信号发生器产生一系列脉冲波接入半导体激光调制器，半导体激光调制器控制激光源的输出功率和波长，经调制后的光脉冲串经由第一隔离器和第一光纤耦合器的10％端口耦合到光纤环路中，依次经过3.6km单模光纤、掺铒光纤放大器、第二隔离器、环形器，通过环形器端口①输入的光信号从环形器端口②射出，经反射后的光信号从环形器端口②返回并从环形器端口③射出，光纤衰荡腔中90％的输出光经第二光纤耦合器接入第一光纤耦合器，光纤衰荡腔中10％的输出光经第二光纤耦合器由光纤环路接入光电探测器，衰减脉冲的输出周期性序列被光电探测器转换成电信号，最终显示在数字示波器上，随着薄膜厚度变化，通过lens反射回光纤衰荡腔内的损耗随之变化，导致脉冲信号的衰减时间发生改变，根据多组已知厚度的标准薄膜样品通过检测得到对应标准薄膜样品的衰荡时间，建立薄膜厚度与衰荡时间的线性关系曲线或线性关系方程式，然后根据测得的待测薄膜样品的衰荡时间并结合薄膜厚度与衰荡时间的线性关系曲线或线性关系方程式得到待测薄膜样品的厚度。