[发明专利]梯度或渐变折射率薄膜的光学常数测量装置及方法

说明书

本发明涉及一种梯度或渐变折射率薄膜的光学常数的测量装置及方法。所述装置包括真空系统、椭偏参数检测系统、膜厚监控系统和离子源，所述真空系统包括真空室和样品台；所述膜厚监控系统包括石英晶振膜厚仪；所述样品台安装在真空室顶部，离子源安装在真空室底部，离子源的离子束输出口正对样品台设置。测量方法是：先测量梯度折射率薄膜样品的初始椭偏参数，用离子束对薄膜进行减薄，再测量减薄后薄膜的椭偏参数，反复进行减薄、测试步骤，直到薄膜减薄到设定步长以下，即可得到最后一薄层的折射率和消光系数，在此基础上可依次得到其上各薄层的光学常数，最终获得薄膜样品沿厚度方向的光学常数分布，实现梯度折射率薄膜光学常数的测量。

技术领域

本发明涉及薄膜光学常数的测量技术领域，特别涉及一种梯度或渐变折射率薄膜的光学常数测量装置及方法。

技术背景

常用的光学薄膜如减反射薄膜，高反射薄膜，滤光膜，偏振膜等一般都是用两种（或多种）折射率不同的镀膜材料，交替镀制得到的多层膜结构。这些薄膜中，虽然相邻两层膜的折射率不同，但对于同一层膜而言，其内部的折射率却近似均匀一致，不随厚度发生变化，是折射率稳定的均匀膜。由于多层膜的层与层之间存在着界面，而界面处最容易富集缺陷与杂质，界面处的吸收系数往往比体吸收大几个数量级，并且存在很大的应力，这常常导致薄膜在强激光下很容易发生损伤，因此界面的存在是多层膜系在激光系统中损伤阈值不高的重要原因。

另一方面，众多的研究表明，薄膜内部的电场强度分布也是影响其激光损伤能力的重要因素：如果膜层与膜层界面处的电场强度较大，则很难提高整个膜系的激光损伤阈值。因此设计上需要不断进行优化，寻求合理的膜系结构，使驻波电场强度的峰值远离界面区域，可在一定程度上提高薄膜的抗激光损伤能力，但由于分层介质膜系本身的局限性，很难使电场强度的所有峰值都远离膜层界面，因此能获得的效果非常有限。

由于单层膜的功能非常有限，通常使用的光学薄膜一般都是多层膜，但多层膜层间界面的存在限制了薄膜激光损伤阈值的提高。如果能够制备一种折射率连续变化的薄膜，使得膜层与膜层之间的界面不存在，则可以避免上述问题。梯度折射率薄膜，或者渐变折射率薄膜，沿着薄膜厚度方向折射率和消光系数是连续变化的，不存在界面，有可能解决这一问题。因此有关梯度折射率薄膜的制备及应用研究早已引起了国内外研究者的广泛关注。但多年来，研究进展一直非常缓慢，主要障碍在于梯度折射率薄膜光学常数（折射率、消光系数）无法检测。对于均匀单层膜而言，光学常数的检测已经不存在什么问题，采用椭偏仪就可以获得精确的测量结果。但对于梯度膜，尚缺乏有效的折射率检测手段和方法，这导致薄膜工艺研究难以取得突破。目前对于梯度折射率薄膜的检测，主要采用两种方式：一是先预估折射率的梯度分布，再采用光学薄膜膜系设计软件，计算该薄膜的光学透射率或反射率，再与实际测试的结果进行比对，如果偏差较大，则反复调整预估折射率的分布，直到计算值和实测值接近，即认为预估折射率分布就是样品折射率的实际分布。二是从工艺入手，先明确不同工艺条件下制备的均匀单层膜的折射率和消光系数。由于梯度薄膜的制备是靠工艺参数的变化来实现的，因此实际制备梯度膜时，按照预先的设计调整工艺参数，不同工艺参数对应的薄膜光学常数即认为是该部分梯度膜的光学常数。显而易见，这两种方法都不是薄膜样品光学常数的真实反映，因此与实际情况存在很大偏差。

发明内容

本发明提供了一种梯度或渐变折射率薄膜的光学常数测量装置及方法，以解决现有技术无法测量梯度或者渐变折射率的问题。

为达到本发明的目的，本发明提供的技术解决方案是：

一种梯度或渐变折射率薄膜的光学常数测量装置，包括真空系统、椭偏参数检测系统、膜厚监控系统和离子源，所述真空系统包括真空室和样品台；所述膜厚监控系统包括石英晶振膜厚仪；

所述样品台安装在真空室的顶部，离子源安装在真空室底部，两者相对而放，离子源的离子束输出口正对样品台设置。

进一步的，所述的光源波长为300-900 nm；所述的测试光入射角度为65°。