[发明专利]一种含有基底特征的薄膜-基底-薄膜系统光学特性分析方法

摘要

本发明属于光学薄膜技术领域，具体涉及一种含有基底特征的薄膜‑基底‑薄膜系统光学特性分析方法。光学薄膜的基底在加工过程中存在亚表面损伤层，该层对于高性能光学薄膜性能的影响不可避免。本方法是将亚表面层等效为渐变折射率薄膜，在基底两侧加入两层折射率渐变薄膜，渐变折射率薄膜的起始光学常数与大块材料相同，两层渐变折射率层与两个表面的多层膜分别构成完整的薄膜‑基底‑薄膜系统。该方法对于所有的薄膜‑基底‑薄膜系统的光学特性计算与评价具有普适性。

主权项

1.一种含有基底特征的薄膜‑基底‑薄膜系统光学特性分析方法，其特征在于，其包括如下步骤：步骤1：首先假设基底表面是光滑的，表面粗糙度远小于工作波长；步骤2：根据光学基底实际加工的特征确定亚表面的特征，将亚表面等效为负折射率梯度的渐变折射率薄膜，折射率梯度为Δ；亚表面损伤层的厚度为dsub，大块基底材料的折射率为Ns，T为拟合系数，则从基底到表面之间任意一点的折射率方程如下：其中，该点与基底的距离记为x；步骤3：将亚表面层进行平面切片，切面层数为N，每层切片的厚度为dsub/N，平面切片的厚度不大于1倍λ0，λ0为工作波长或者工作谱段的中心波长；则第j层切片的复折射率为：步骤4：在入射角θ0的情况下，入射介质的折射率为N0，则入射介质和材料的两个表面等效折射率计算方法如下：入射介质的等效折射率为：亚表面中第j个平面切片的等效折射率为：多层膜中第k层薄膜的等效折射率为：使用菲涅尔定律确定第j层平面切片中的折射角θj、第k层薄膜中的折射角θk，以及基底内的折射角θs：N0,s,psinθ0＝Nj,s,psinθj＝Nk,s,psinθk＝Ns,s,psinθs     (6)步骤5：考虑上述的基底亚表面存在，将理想的薄膜‑基底‑薄膜系统修正为薄膜‑亚表面‑基底‑亚表面‑薄膜系统，多层膜的传输矩阵γ修正为：其中，δj和δk分别为亚表面j切片的相位厚度和膜层k的相位厚度，ηs为基底的导纳，M为多层膜的层数。步骤6：计算基底的内透过率u。基底内的折射角为θs，复折射角θj的正弦和余弦表达如下：sinθs＝s'+js" cosθj＝c'+jc"    (8)其中，s'、s"，c'、c"分别为正弦和余弦系数；基底的等效折射率Nq可以写成下式：基底内的光线传播角度满足菲涅耳折射定律：基底的等效消光系数K与等效折射率Nq满足下面的关系式：因此基底的内透过率u表达式如下：其中，ds为基板厚度；步骤7：基于光学强度线性叠加原理，得到含有亚表面特征的薄膜‑基底‑薄膜系统的光学特性计算方法如下：反射率R为：透射率T为：其中，Raf为前表面的亚表面‑薄膜系统的前向反射率、Rafa为后向反射率、Tfa为膜层的透过率，Rbfa为后表面的亚表面‑薄膜系统的后向反射率、Tfb为膜层的透过率，均可由多层膜的光学薄膜原理计算获得。