本發(fā)明涉及一種光學(xué)材料折射率和色散系數(shù)的獲取方法，尤其是涉及一種薄膜折射率和色散系數(shù)的獲取方法。

背景技術(shù)：

目前，光學(xué)領(lǐng)域的各種器件具有微型化與集成化的趨勢，其中很多光學(xué)元件如光子晶體、光波導(dǎo)、光柵、干涉儀、激光器等都需要集成到一定厚度的薄膜上，形成全光光子芯片，廣泛應(yīng)用在生物傳感、光通信及光運(yùn)算等領(lǐng)域。制備全光器件所使用的薄膜的折射率和色散等數(shù)據(jù)是影響微納器件性能的關(guān)鍵參數(shù)。故在制備基于薄膜的功能微納光器件時，需要精確地知道薄膜的折射率和色散系數(shù)。

測量薄膜折射率通常使用的方法主要有棱鏡耦合儀法和干涉計量法等。棱鏡耦合儀對測量折射率大于2.4的薄膜比較困難，而且測量使用的激光波長較少，雖然通過擴(kuò)展可以增加測量波長數(shù)目，但是成本昂貴，因此獲得多個波長處的色散系數(shù)較為困難。利用干涉法測量折射率需要精確知道薄膜的厚度，而且也同樣受制于測量使用的激光波長的數(shù)據(jù)，也很難獲得薄膜的色散系數(shù)。故迫切需要開發(fā)一種能同時獲得薄膜折射率和色散系數(shù)的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種成本低，精度高，能夠同時精確獲得多個波長處的薄膜折射率和色散系數(shù)的獲取方法。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種薄膜折射率和色散系數(shù)的獲取方法，將該薄膜鍍在比其厚1000倍以上的無色散的透明玻璃襯底上，薄膜的表面粗糙度小于20nm，薄膜厚度大于600nm，利用測量光譜范圍為400-2500nm分光光度計測量得到具有干涉調(diào)制現(xiàn)象的透射曲線，然后利用Savitzky-Golay分段濾波法濾除信號頻率5倍以上的高頻噪聲，得到光滑的透射曲線后再利用循環(huán)比較方法獲得該曲線的峰谷值數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的光波長，再利用三階樣條插值的方法分別對離散的峰值數(shù)據(jù)與谷值數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，獲得連續(xù)的隨光波長變化的波峰曲線T_M(λ)與波谷曲線T_m(λ)，將與確定的光波長值相對應(yīng)峰值數(shù)據(jù)T_M及谷值數(shù)據(jù)T_m代入公式中即獲得相應(yīng)光波長處薄膜的折射率n，s＝1.45是襯底的折射率，將上述獲得的折射率及相應(yīng)的光波長代入式中獲得多個峰值波長處薄膜的厚度，求幾何平均得到式中λ_i，λ_i+1是相鄰兩個透射峰值處對應(yīng)的光波長，n(λ_i)，n(λ_i+1)相應(yīng)峰值波長處對應(yīng)的薄膜折射率，i為峰值序數(shù)，將薄膜厚度折射率n(λ_i)及相應(yīng)的光波長λ_i代入干涉方程2nd＝mλ中得到干涉級次m，取m值為離其最近的整數(shù)或半整數(shù)m'，然后再次將薄膜折射率n(λ_i)、干涉級次m'及相應(yīng)的光波長λ_i代入干涉方程得到相應(yīng)的薄膜厚度，再次求幾何平均得到將獲得薄膜厚度干涉級次m'及相應(yīng)的波長λ再次代入干涉方程即得到峰值波長λ_i處薄膜折射率n'(λ_i)，采用多項式擬合的方法得到薄膜折射率與光波長之間的關(guān)系式，進(jìn)一步利用n_g＝n'-λdn'/dλ得到群速折射率n_g，最后利用D_λ＝c^-1d n_g/dλ得到該薄膜在不同波長處的色散系數(shù)D_λ。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于僅需要利用分光光度計獲得具有干涉調(diào)制的薄膜的透射曲線，便能同時快速獲得薄膜的折射率與色散系數(shù)，不需要在不同平臺間互相切換。本發(fā)明的獲取方法簡單，測量精度高，測量中使用的分光光度計是本領(lǐng)域的常規(guī)儀器，容易實(shí)現(xiàn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例一中鍍在襯底上的薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為利用美國P-E公司的分光光度計Lambda 950測量得到圖1所示薄膜的透射曲線；

圖3為多個波長處透射曲線的峰值的上下包絡(luò)虛線；

圖4為使用本發(fā)明的方法得到的折射率和色散系數(shù)的曲線。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

實(shí)施例一：如示意圖1所示，在厚度為1mm的透明二氧化硅玻璃襯底上利用磁控濺射的方法鍍上厚度為1μm的硫系玻璃薄膜，圖中n₀＝1是空氣折射率，空氣的背景透過率T₁＝1，透明玻璃襯底在測量范圍內(nèi)無色散且吸收系數(shù)a_s＝0。利用美國P-E公司的分光光度計Lambda 950測量得到該薄膜的透射曲線如圖2所示，上圖是測量得到的具有高頻噪聲的干涉調(diào)制透過率曲線，測量過程中切換光柵等動作引起的高頻率噪聲主要位于透過率曲線中840-900nm區(qū)域，而2200-2500nm區(qū)域的高頻噪聲主要是由探測器噪聲導(dǎo)致。利用Savitzky-Golay分段濾波法濾除信號頻率5倍以上的高頻噪聲后得到如圖2下圖所示結(jié)果，在該圖基礎(chǔ)上，使用循環(huán)比較的方法獲得多個波長處透射曲線的峰值數(shù)據(jù)T_M(λ)和谷值數(shù)據(jù)T_m(λ)，如圖3所示的上下包絡(luò)虛線，根據(jù)薄膜吸收系數(shù)的大小可以將該透射曲線分成三個區(qū)域：小于600nm的強(qiáng)吸收區(qū)域，600-1200nm區(qū)域?yàn)槿跷占爸械任諈^(qū)域，大于1200nm為透明區(qū)域，即該硫系玻璃薄膜對光波長大于1200nm的光線全部透過，對光波長小于600nm的光線幾乎全部吸收，強(qiáng)吸收區(qū)域干涉調(diào)制現(xiàn)象幾乎消失，所以無法利用該方法獲得強(qiáng)吸收區(qū)域的薄膜折射率及色散系數(shù)。在弱吸收及中吸收區(qū)域、透明區(qū)域，透射曲線都具有明顯的干涉調(diào)制現(xiàn)象，將該區(qū)域中的T_M(λ)和相應(yīng)的T_m(λ)數(shù)據(jù)代入下式：

$n=\sqrt{2s\frac{T_M-T_m}{T_M{T}_m}+\frac{s^2+1}{2}+\sqrt{{(2s\frac{T_M-T_m}{T_M{T}_m}+\frac{s^2+1}{2})}^2-s^2}}$

即可得到不同波長處的折射率n(λ)，將獲得的折射率及相應(yīng)的光波長數(shù)據(jù)代入干涉方程2nd＝mλ得到不同波長處薄膜的厚度求幾何平均后可以得到薄膜的厚度進(jìn)一步將薄膜厚度折射率n(λ_i)及相應(yīng)的光波長λ_i代入干涉方程2nd＝mλ中得到干涉級次m，取m值為離其最近的整數(shù)或半整數(shù)m'，然后再次將薄膜折射率n(λ_i)、干涉級次m'及相應(yīng)的光波長λ_i代入干涉方程得到相應(yīng)的薄膜厚度，再次求幾何平均得到將獲得薄膜厚度干涉級次m'及相應(yīng)的波長λ再次代入干涉方程即得到峰值波長λ_i處薄膜折射率n'(λ_i)，采用多項式擬合的方法得到薄膜折射率與光波長之間的關(guān)系式，進(jìn)一步利用n_g＝n'-λdn'/dλ得到群速折射率n_g，最后利用D_λ＝c^-1d n_g/dλ得到該薄膜在不同波長處的色散系數(shù)D_λ，所得結(jié)果如圖4所示，最上面的一幅圖為薄膜的折射率隨波長的變化曲線n'(λ)，中間圖是群速折射率隨波長變化曲線n_g(λ)，最下面一幅圖是色散系數(shù)隨波長的變化曲線D(λ)。