靶丸壳层折射率、厚度及其分布参数是激光惯性约束聚变(ICF)物理实验中非常关键的参数,精密测量靶丸壳层折射率、厚度及其分布对ICF精密物理实验研究具有非常重要的意义。由于靶丸尺寸微小(亚毫米量级)、结构特殊(球形结构)、测量精度要求高,如何实现靶丸壳层折射率及其厚度分布的精密测量是靶参数测量技术研究中重要的研究内容。本论文针对靶丸壳层折射率及厚度分布的精密测量需求,开展了基于白光干涉技术的靶丸壳层折射率及厚度分布测量技术研究。白光干涉膜厚测量技术可以应用于太阳能电池中的薄膜光学参数测量。小型膜厚仪按需定制
白光干涉光谱分析是目前白光干涉测量的一个重要方向,此项技术主要是利用光谱仪将对条纹的测量转变成为对不同波长光谱的测量。通过分析被测物体的光谱特性,就能够得到相应的长度信息和形貌信息。相比于白光扫描干涉术,它不需要大量的扫描过程,因此提高了测量效率,而且也减小了环境对它的影响。此项技术能够测量距离、位移、块状材料的群折射率以及多层薄膜厚度。白干干涉光谱法是基于频域干涉的理论,采用白光作为宽波段光源,经过分光棱镜,被分成两束光,这两束光分别入射到参考面和被测物体,反射回来后经过分光棱镜合成后,由色散元件分光至探测器,记录频域上的干涉信号。此光谱信号包含了被测表面的信息,如果此时被测物体是薄膜,则薄膜的厚度也包含在这光谱信号当中。这样就把白光干涉的精度和光谱测量的速度结合起来,形成了一种精度高而且速度快的测量方法。国内膜厚仪性价比高白光干涉膜厚测量技术可以通过对干涉曲线的分析实现对薄膜的光学参数和厚度分布的联合测量和分析。
由于不同性质和形态的薄膜对系统的测量量程和精度的需求不尽相同,因而多种测量方法各有优缺,难以一概而论。将上述各测量特点总结如表1-1所示,按照薄膜厚度的增加,适用的测量方式分别为椭圆偏振法、分光光度法、共聚焦法和干涉法。对于小于1μm的较薄薄膜,白光干涉轮廓仪的测量精度较低,分光光度法和椭圆偏振法较适合。而对于小于200nm的薄膜,由于透过率曲线缺少峰谷值,椭圆偏振法结果更加可靠。基于白光干涉原理的光学薄膜厚度测量方案目前主要集中于测量透明或者半透明薄膜,通过使用不同的解调技术处理白光干涉的图样,得到待测薄膜厚度。本章在详细研究白光干涉测量技术的常用解调方案、解调原理及其局限性的基础上,分析得到了常用的基于两个相邻干涉峰的白光干涉解调方案不适用于极短光程差测量的结论。在此基础上,我们提出了基于干涉光谱单峰值波长移动的白光干涉测量解调技术。
自1986年E.Wolf证明了相关诱导光谱的变化以来,人们在理论和实验上展开了讨论和研究。结果表明,动态的光谱位移可以产生新的滤波器,应用于光学信号处理和加密领域。在论文中,我们提出的基于白光干涉光谱单峰值波长移动的解调方案,可以用于当光程差非常小导致其干涉光谱只有一个干涉峰时的信号解调,实现纳米薄膜厚度测量。在频域干涉中,当干涉光程差超过光源相干长度的时候,仍然可以观察到干涉条纹。出现这种现象的原因是白光光源的光谱可以看成是许多单色光的叠加,每一列单色光的相干长度都是无限的。当我们使用光谱仪来接收干涉光谱时,由于光谱仪光栅的分光作用,将宽光谱的白光变成了窄带光谱,从而使相干长度发生变化。白光干涉膜厚测量技术可以应用于光学薄膜设计中的薄膜参数测量。
确定靶丸折射率及厚度的算法,由于干涉光谱信号与膜的光参量直接相关,这里主要考虑光谱分析的方法根据测量膜的反射或透射光谱进行分析计算,可获得膜的厚度、折射率等参数。根据光谱信号分析计算膜折射率及厚度的方法主要有极值法和包络法、全光谱拟合法。极值法测量膜厚度主要是根据薄膜反射或透射光谱曲线上的波峰的位置来计算,对于弱色散介质,折射率为恒定值,根据两个或两个以上的极大值点的位置,求得膜的光学厚度,若已知膜折射率即可求解膜的厚度;对于强色散介质,首先利用极值点求出膜厚度的初始值。薄膜厚度是一恒定不变值,可根据极大值点位置的光学厚度关系式获得入射波长和折射率的对应关系,再依据薄膜材质的色散特性,引入合适的色散模型,常用的色散模型有cauchy模型、Selimeier模型、Lorenz模型等,利用折射率与入射波长的关系式,通过二乘法拟合得到色散模型的系数,即可解得任意入射波长下的折射率。白光干涉膜厚测量技术可以通过对干涉曲线的分析实现对薄膜的厚度和形貌的联合测量和分析。怎样选择膜厚仪信赖推荐
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白光干涉频域解调顾名思义是在频域分析解调信号,测量装置与时域解调装置几乎相同,只需把光强测量装置换为光谱仪或者是CCD,接收到的信号是光强随着光波长的分布。由于时域解调中接收到的信号是一定范围内所有波长的光强叠加,因此将频谱信号中各个波长的光强叠加,即可得到与它对应的时域接收信号。由此可见,频域的白光干涉条纹不仅包含了时域白光干涉条纹的所有信息,还包含了时域干涉条纹中没有的波长信息。在频域干涉中,当两束相干光的光程差远大于光源的相干长度时,仍可以在光谱仪上观察到频域干涉条纹。这是由于光谱仪内部的光栅具有分光作用,能够将宽谱光变成窄带光谱,从而增加了光谱的相干长度。这一解调技术的优点就是在整个测量系统中没有使用机械扫描部件,从而在测量的稳定性和可靠性上得到很大的提高。常见的频域解调方法有峰峰值检测法、傅里叶解调法以及傅里叶变换白光干涉解调法等。小型膜厚仪按需定制
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