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多層光學(xué)鍍膜的多角度 UV-Vis-NIR 測(cè)量
閱讀：342 發(fā)布時(shí)間：2025-3-6前言光學(xué)鍍膜和鍍膜技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展,，在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和表征工藝方面已非常成熟?，F(xiàn)在,，光學(xué)鍍膜已非常普及，從研究和空間光學(xué)到消費(fèi)品和工業(yè)的應(yīng)用中都能找到它的身影,。光學(xué)鍍膜應(yīng)用廣泛,，包括眼鏡、建筑和汽車玻璃,、照明和燈光系統(tǒng),、顯示器、濾光片,、專業(yè)反射鏡,、光纖和通信，以及醫(yī)用光學(xué),。光學(xué)鍍膜的性能取決于鍍膜的規(guī)格和基底材料,。設(shè)計(jì)和制造高質(zhì)量多層光學(xué)鍍膜不僅需要精確測(cè)量最終生產(chǎn)組件,，還需要精確測(cè)量薄膜層中材料的光學(xué)常數(shù)。這些測(cè)量結(jié)果能夠用于（有時(shí)）非常復(fù)雜的多層鍍膜的詳細(xì)設(shè)計(jì),。在生產(chǎn)結(jié)束時(shí)和生產(chǎn)過程中的測(cè)量結(jié)果也可以用于光學(xué)鍍膜的逆向工程,，提供有關(guān)設(shè)計(jì)制造工藝的反饋[1]。逆向工程的主要目的是檢測(cè)單層參數(shù)中的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差,，有助于改善層控制,，優(yōu)化光學(xué)鍍膜沉積。
光學(xué)鍍膜的可靠逆向工程關(guān)鍵取決于對(duì)反射率和透射率的準(zhǔn)確測(cè)量,。過去，這類測(cè)量局限于垂直入射時(shí)的透射率 (T) 和/或接近垂直入射時(shí)的反射率 (R) 數(shù)據(jù),。正如預(yù)期的那樣,，隨著鍍膜數(shù)量的增加，多層逆向工程的不準(zhǔn)確性也有所提高,。一般而言,，通過更多的數(shù)據(jù)測(cè)量可以盡可能減少逆向工程中的不準(zhǔn)確性。在一系列入射角 (AOI) 下進(jìn)行的 T 值和 R 值測(cè)量,，對(duì)于薄膜材料的表征和多層鍍膜的逆向工程都很有價(jià)值,。大多數(shù)典型的逆向工程涉及與研究的鍍膜相關(guān)的垂直或接近垂直入射 T 和R 數(shù)據(jù)的詳細(xì)數(shù)值分析。雖然該方法在實(shí)驗(yàn)上很簡(jiǎn)單,，但由于接近垂直的 T 和 R 數(shù)據(jù)集中可用的信息有限,，加上那些數(shù)據(jù)集中測(cè)量誤差的影響，可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)果不可靠[1],。特別是來(lái)自寬帶反射器的反射率數(shù)據(jù)或來(lái)自寬帶防反射 (AR) 鍍膜的透射率數(shù)據(jù),，可以被視為此類低信息數(shù)據(jù)集的示例。過去,，簡(jiǎn)單的垂直入射 T 值測(cè)量可以使用各種分光光度計(jì)實(shí)現(xiàn),，并且接近垂直入射 R 值測(cè)量可通過安裝適當(dāng)?shù)姆瓷涓郊灶愃频姆绞綄?shí)現(xiàn)。
本應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)中使用自動(dòng)雙光束 UV-VIS-NIR 多角度分光光度計(jì) Cary 7000 全能型分光光度計(jì) (UMS) 展示了一種新型多角度光度光譜法,，介紹了用于創(chuàng)建光譜分束器的多層鍍膜和不同基底上兩個(gè) 43 層四分之一波長(zhǎng)膜堆反射鏡的測(cè)量示例,，以及通過獲得的多角度光譜光度數(shù)據(jù)集實(shí)現(xiàn)的逆向工程分析。
實(shí)驗(yàn)部分樣品三種不同鍍膜的測(cè)量結(jié)果摘自 Amotchkina 等人的工作結(jié)果[2],。第一種鍍膜 BS-AR-Suprasil 是一種專用分束器,，設(shè)計(jì)用于 45°的傾斜 AOI。將 52 層反射器沉積在 1 mm 厚的透明石英基底上,。前表面鍍膜規(guī)格要求在 935 nm 與 945 nm 之間的光譜透射率曲線大于 98% T,，且在 967 nm 與 971 nm 之間大于 98% R。此外,，在后表面上沉積了 10 層寬帶 AR 鍍膜,。光學(xué)鍍膜通常由不同厚度的高折射率和低折射率材料的交替層疊而成,。對(duì)于第一個(gè)樣品，所用的高折射率材料為五氧化二鈮 (Nb2O5),，低折射率材料為二氧化硅 (SiO2),，使用 LeyboldOptics GmbH Helios 磁控濺射系統(tǒng)進(jìn)行鍍膜沉積。第二個(gè)和第三個(gè)樣品均為由 43 層四分之一波長(zhǎng)膜堆構(gòu)成的高反射器,，該反射器的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)為 800 nm,。鍍膜沉積在兩種不同類型的基底上：6.35 mm 厚的熔融石英和 1.0 mm厚的 B260 玻璃。樣品名稱分別為 HR800-FusedSilica 和HR800-Glass,。這些鍍膜中使用的高折射率材料為二氧化鉿(HfO2),，使用的低折射率材料為二氧化硅 (SiO2)，在 LeyboldOptics GmbH SYRUSPro 710 鍍膜機(jī)中使用電子束蒸發(fā)進(jìn)行鍍膜沉積,。
儀器采用 Cary 7000 UMS（一款高度自動(dòng)化的可變角度絕對(duì)鏡面反射率和透射率紫外-可見-近紅外分光光度計(jì)）來(lái)獲取成品鍍膜的反射率和透射率,。用戶可以使用 Cary 7000 UMS 對(duì)樣品 AOI 和檢測(cè)器角度定位進(jìn)行自動(dòng)化獨(dú)立電動(dòng)控制，請(qǐng)參見圖 1,。這種對(duì)樣品 AOI 和檢測(cè)器位置的獨(dú)立控制可實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)多層鍍膜的快速,、準(zhǔn)確和自動(dòng)化測(cè)量。傳統(tǒng)上,，反射率和透射率測(cè)量使用不同的分光光度計(jì)附件進(jìn)行,。這樣會(huì)導(dǎo)致測(cè)量反射率和透射率的樣品部位不同。沉積工藝雖然嚴(yán)格受控,，但并非美,，薄膜沉積的厚度不均勻。因此,，隨著鍍膜厚度的變化,，整個(gè)表面上的反射率和透射率測(cè)量結(jié)果可能會(huì)有所變化。在 Cary 7000 UMS 問世以后,，現(xiàn)在可以在從 R 測(cè)量模式切換到 T 測(cè)量模式時(shí),，測(cè)量樣品表面上同一點(diǎn)的 R 和 T 值，無(wú)需移動(dòng)樣品,。此外,，樣品可以旋轉(zhuǎn)180°，實(shí)現(xiàn)正向和逆向靜態(tài)透光率的測(cè)量,。反射率測(cè)量中的AOI 可以類似的方式改變至樣品法線的任一側(cè),，并且可以移動(dòng)檢測(cè)器，以便在 ±AOI 下進(jìn)行 R 值測(cè)量,。在任何一種情況下,，R 和 T 值都可以從同一點(diǎn)測(cè)量，無(wú)需移除和替換分光光度計(jì)中的樣品或更換為其他附件,。
沉積時(shí)層厚度的細(xì)微變化,，以及不同鍍膜條件下所用材料的光學(xué)特性變化會(huì)導(dǎo)致光學(xué)鍍膜的整體性能無(wú)法滿足原始設(shè)計(jì)意圖,。光學(xué)鍍膜的設(shè)計(jì)和分析使用精密的計(jì)算機(jī)軟件包完成，這些軟件包依賴于對(duì)各層物理厚度和構(gòu)建鍍膜的材料的光學(xué)常數(shù)的準(zhǔn)確獲取,。本文所述的三種鍍膜使用 OptiLayer 進(jìn)行設(shè)計(jì),。OptiLayer 是一套軟件，由設(shè)計(jì)多層鍍膜,、預(yù)測(cè)性能,、表征光學(xué)材料，以及根據(jù)測(cè)量的透射率和反射率數(shù)據(jù)對(duì)鍍膜進(jìn)行逆向工程的模塊組成,。一些現(xiàn)代鍍膜機(jī)具有監(jiān)測(cè)鍍膜沉積時(shí)垂直入射透射率的裝置[3-4],。這些在垂直入射條件下進(jìn)行的原位測(cè)量可用作預(yù)測(cè)沉積鍍膜的最終設(shè)計(jì)傾斜入射性能的基礎(chǔ)。使用 OptiLayer 對(duì)這些原位數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析,，通常顯示反射率和透射率譜帶的定位與原始設(shè)計(jì)大體一致,。但是，原位垂直入射測(cè)量不能真正替代成品鍍膜的實(shí)際傾斜角 R 和 T 的測(cè)量,。在他們的文章中，Amotchina等人描述了使用 Cary 7000 UMS 進(jìn)行的測(cè)量如何幫助他們實(shí)現(xiàn)對(duì)沉積鍍膜的逆向工程,，進(jìn)而使用原位測(cè)量微調(diào)鍍膜工藝,，以期更符合鍍膜的原始設(shè)計(jì)意圖。在 BSAR-Suprasil 分束器的示例中,，主要的不確定性在于各層的厚度,，因?yàn)?Nb2O5 和 SiO2 的光學(xué)特性已經(jīng)得到了充分的了解。本研究采用 Cary 7000 UMS 對(duì)鍍膜后的樣品進(jìn)行測(cè)量,。鍍膜規(guī)格要求分束器在 45° AOI 下使用,。Cary 7000 UMS 可以從樣品表面的同一部位測(cè)量多個(gè)不同 AOI 下的 R 和 T 值。增加數(shù)據(jù)集中的測(cè)量次數(shù)（更多 AOI）有助于降低鍍膜結(jié)果逆向工程的不確定性,，這些數(shù)據(jù)和分析,，可以與原位測(cè)量關(guān)聯(lián)起來(lái)，為鍍膜沉積構(gòu)建優(yōu)化策略,。最后,，使用 Cary 7000 UMS進(jìn)行測(cè)量，驗(yàn)證優(yōu)化效果,。
圖 2 比較了優(yōu)化的 BSAR-Suprasil 分束器在 45° AOI 時(shí)的預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)光譜透射率（圖 2(a)）,。使用 Cary 7000 UMS 進(jìn)行非偏振透射率測(cè)量。理論曲線 (Optilayer) 與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的光譜一致性很高,。峰高的差異主要來(lái)自用于采集實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的光譜帶寬,。實(shí)驗(yàn)中還進(jìn)一步測(cè)量 30° AOI 下 BSAR-Suprasil 樣品的 S和 P 入射偏振光透射率，該數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)的光譜透射率一起顯示在圖 2(b) 中,。測(cè)量值與理論值之間同樣一致性很高,。在 45°和 30° 的傾斜 AOI 下進(jìn)行的這些測(cè)量與模型預(yù)測(cè)之間的高度一致性,，驗(yàn)證了基于原位垂直入射透射率測(cè)量來(lái)優(yōu)化鍍膜沉積的逆向工程和模型改進(jìn)。測(cè)量的第二個(gè)和第三個(gè)樣品為設(shè)計(jì)成傾斜入射高反射器的多層四分之一波長(zhǎng)堆膜反射鏡的示例,。每個(gè)反射鏡由 43 層四分之一波長(zhǎng)交替的二氧化鉿（HfO2 ― 高折射率材料）和二氧化硅（SiO2 ― 低折射率材料）組成,。樣品之間的區(qū)別在于所用基底的類型和厚度：HR800-FusedSilica ― 6.35 mm 厚的熔融石英；HR800-Glass ― 1 mm 厚的 B260 玻璃,。在這些鍍膜中,，需要同時(shí)考慮二氧化鉿的光學(xué)特性和單層厚度的不確定性。該反射鏡同樣設(shè)計(jì)用于 45° 傾斜 AOI 的非偏振入射光,。
結(jié)論結(jié)果表明,，Cary 7000 UMS 可作為測(cè)量和表征復(fù)雜多層光學(xué)鍍膜的重要工具。Cary 7000 UMS 可獨(dú)立,、自動(dòng)化控制樣品旋轉(zhuǎn)和檢測(cè)器位置,，具有無(wú)需移動(dòng)樣品即可測(cè)量不同角度下反射率和透射率的能力。自動(dòng)偏振器設(shè)備提供了額外的優(yōu)勢(shì),，能夠同時(shí)處理 S 和 P 偏振光測(cè)量,，所有入射光都是在樣品表面相同的位置完成測(cè)量。Cary 7000 UMS 便捷易用,，可在無(wú)人值守的情況下運(yùn)行并生成準(zhǔn)確數(shù)據(jù),，是光學(xué)鍍膜 QA/QC 環(huán)境的理想候選方案。Amotchkina 等人展示了光學(xué)鍍膜的多角度準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)于復(fù)雜光學(xué)鍍膜的準(zhǔn)確表征,、控制和優(yōu)化的價(jià)值,。此類測(cè)量支持在鍍膜沉積中采用復(fù)雜的優(yōu)化策略并驗(yàn)證優(yōu)化策，特別是對(duì)于傾斜入射應(yīng)用的鍍膜,。這些策略通常涉及在垂直入射條件下進(jìn)行原位測(cè)量,，然后僅根據(jù)有限的數(shù)據(jù)集對(duì)鍍膜進(jìn)行逆向工程。Cary 7000 UMS 可提供一系列角度的準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)果,，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化和驗(yàn)證,。