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光學鍍膜指標——吸收損耗

一、什么是膜層的吸收損耗

吸收損耗是由于電能、電磁能或聲能與材料介質相互作用而耗散或轉換為其它形式的能量而引起的。在薄膜中體現為部分光能轉化為熱量而消散。

二、有哪幾種類型的吸收損耗

膜層的吸收損耗分為兩種形式:

1、固有吸收損耗

固有損失是材料本身對光能的吸收,每個材料都有其對應不同波長的吸收帶。固有吸收損耗是無法消除的,但是可以通過薄膜制備方法、環境因素等使其發生改變。

2、外在吸收

外在吸收是材料雜質或界面污染引起的吸收損耗,有時,該損耗還和襯底特性有關聯。

三、為什么要單獨測量膜層的吸收損耗

一般來說,若需要獲得光學元件的總損耗,只需測量其反射光譜和透射光譜足以。對于高反膜,可以使用光腔衰蕩光譜法。但是,對于某些特定應用,吸收損耗和散射損耗對光學性能有不同的影響作用,因此往往需要單獨測量吸收和散射損耗。同時,在某些情況下,將襯底吸收和膜層吸收分開測量可以用來區分不同的吸收來源。在光學鍍膜測試中,散射損耗極小一般被忽略(在高透/高反膜中,極小的散射損耗也會帶來極大的影響,本文第十問會對散射損耗做個簡要補充),吸收損耗是我們關注的重點。

四、吸收損耗中的關鍵參數有哪些

1、吸收量(absorption)

吸收量表示在一定時間下,材料吸收一定波長的光的總和。

2、吸光度(Absorbance)

吸光度是入射到樣品或材料上的光量與光與樣品相互作用后檢測到的光的比值的對數。其表示了樣品對材料的吸收率,其值與膜厚和吸收系數有一定關系。

3、吸收系數α(absorption coefficient)

吸收系數表示材料對一定波長的光的吸收能力,決定了一定波長的光在被吸收之前可以穿透到材料中多遠。其值很大程度上由材料的特性和波長決定。

4、吸收消光系數k(extinction coefficient)

吸收消光系數同樣用來表征材料對一定波長的光的吸收能力。吸收消光系數k與吸收系數α滿足一定的函數關系,其關系如下式所示:

α=(4π/λ)·k

       同時1dB/cm=4.34α。

五、膜層吸收損耗的測試方法是什么

測試膜層的吸收損耗的基本原理是利用激光輻照薄膜樣品時的熱效應。常用方法有有激光量熱法、光熱偏轉法、光熱共路徑干涉測量法、表面熱透鏡法、光聲光譜法、紅外熱像儀法等。在目前商用的一般有三種:

1、激光量熱法

激光量熱法是吸收損耗測量的國際標準(本文參照ISO 11551: 2019)。該方法測量吸收損耗的具體方法是采用一束激光輻照薄膜樣品,隨后使用熱敏電阻(或熱電偶)測量薄膜樣品溫度從輻照升溫到冷卻的變化,用函數擬合方法計算得到樣品吸收率的數值。其假設測試樣品的吸收在測量過程中樣品所經歷的溫度波動范圍內是恒定的。該方法的優點在于其十分簡單,測量只涉及樣品的比熱容和應用的激光功率。但是,如對于低熱導率材料,其依賴于環境濕度、樣品材料、其表面粗糙度和背景介質等因素,導致其難以提高精確度。

2、光熱偏轉法(laser induced deflection / LID)

光熱偏轉法又稱激光誘導偏轉法,其所用裝置包括激光器、反射鏡、鍍有樣品膜層(例如高反鏡)的元件、輸出耦合器、激光功率計和用于溫度測量的高溫計。裝置搭建如圖1所示。由于使用特定偏轉方向的測量,所以減小了襯底材料的吸收所帶來的影響,提高了膜層吸收損耗測量的精確度。其可測量的最小吸收率小于1 ppm(10-6)。 但相對于激光量熱法,其極高的測試精度需要依賴于較高的實驗技巧。多使用1030nm激光測試反射膜。測試往往需要使用低輻照的激光源,可以盡量減小襯底材料的影響。

圖2 光熱偏轉法示意圖(反射膜為例)
圖1光熱偏轉法示意圖(反射膜為例)

3、光熱共路徑干涉測量法(photo-thermal common-path interferometry / PCI)

光熱共路徑干涉測量法又稱為相敏泵浦探針技術(phase-sensitive pump-probe technique)。其通過泵浦光束將被測樣品加熱(吸收轉化為熱能)形成熱透鏡,使探測光束產生波前畸變。畸變使探測光束內部產生干涉效應,進而影響光束強度(相位),該強度(相位)變化能被探測器所探測到。通過泵浦光的周期開關,測試的干涉圖樣被時間調制,可以進一步獲得更準確的薄膜的吸收率。在該方法中,襯底一般為平面。該方法的測量精度大致在5×10-4cm-1

圖3 光熱共路徑干涉測量法示意圖
圖2 光熱共路徑干涉測量法示意圖
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