本发明专利技术公开了一种用于测量纳米级双层金属薄膜厚度的SPR相位测量方法，建立金属薄膜膜层厚度TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差值随入射角度变化的理论曲线图；设定一组以SPR共振角度为中心变化的入射角度值；获取棱镜型SPR传感器镀膜区域的干涉条纹图像；获取棱镜型SPR传感器非镀膜区域的干涉条纹图像；计算得到镀膜区域TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差值；从初始角度开始依次改变入射角度，得到相位变化量差值随入射角度变化的测量曲线图；根据相位变化量差值随入射角度变化的理论曲线和所得测量曲线，确定SPR传感器所镀双层金属薄膜的厚度。本发明专利技术的有益效果是：该测量系统结构简单、测量精度高，便于操作。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种金属薄膜厚度的测量方法，特别涉及一种用于测量用于测量纳米级双层金属薄膜厚度的SPR相位测量方法。
技术介绍
随着薄膜技术在微电子、光电子、航空航天、生物工程、武器装备、食品科学、医疗仪器和高分子材料等领域的广泛应用，薄膜技术已成为当前科技研究和工业生产领域内的研究热点，特别是纳米级薄膜技术的迅速发展，已经直接影响到科技的发展方向和人们的生活方式。而薄膜制造技术的不断改进和迅速发展也对薄膜的各种参数提出了更高的要求，比如薄膜的厚度和折射率参数以及反射、透射、吸收特性等，其中薄膜厚度是薄膜设计和工艺制造中的关键参数之一，它对于薄膜的光学特性、力学特性和电磁特性等具有决定性的作用，因此能够精准地检测薄膜厚度已经成为一种至关重要的技术。例如中国专利申请号为201310137996.6，公开了一种用于测量纳米级金属薄膜厚度的SPR相位测量方法，此方法SPR传感器的镀膜结构以单层结构为主，但是应用单层结构的局限性在于由其构成的SPR传感器的测量灵敏度不够高且某些金属材料的粘附性不好。目前，SPR传感技术的调制类型主要有角度型、光谱型和相位型，其中相位型SPR传感技术拥有更高的灵敏度，具有明显优势。因此很多研究人员为了进一步提高SPR传感器的灵敏度以及金属膜层和SPR传感器的黏附性，出现了采用多层结构(以双层结构为主)SPR传感器的应用趋势。在利用双层结构棱镜型SPR传感器的应用过程中发现，SPR传感器所镀制的单层或多层金属薄膜的厚度对反射光的反射率和相位变化有直接影响，因此，本专利技术利用SPR传感器的这一特点结合相位调制方法来直接测量双层金属薄膜的厚度，为测量纳米级双层金属薄膜厚度提供一种新思路。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种具有非接触、高精度、结构简单、便于操作的测量纳米级双层金属薄膜厚度的方法。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种用于测量纳米级双层金属薄膜厚度的SPR相位测量方法，其特征是：步骤如下：步骤一：根据金属薄膜膜层厚度建立对应的TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差值随入射角度变化的理论曲线图；步骤二：设定一组以SPR共振角度为中心变化的入射角度值，使入射光以任一初始角度入射到棱镜型SPR传感器的双层金属薄膜界面；步骤三：根据步骤二所述的入射角获取棱镜型SPR传感器镀膜区域的干涉条纹图像；步骤四：根据步骤二所述的入射角获取棱镜型SPR传感器非镀膜区域的干涉条纹图像；步骤五：将步骤三和步骤四获取的图像进行比对、计算，得到镀膜区域TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差值；步骤六：根据步骤二，从初始角度开始依次改变入射角度，并重复步骤三至步骤五，得到相位变化量差值随入射角度变化的测量曲线图；步骤七：比对步骤一所得相位变化量差值随入射角度变化的理论曲线和步骤六所得测量曲线，确定SPR传感器所镀双层金属薄膜的厚度。所述步骤一的不同金属薄膜膜层厚度对应的TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差值随入射角度变化的理论曲线图参数为：1)入射角度θ，2)棱镜折射率np，3)入射光波长λ，4)双层金属薄膜的介电常数εm1、εm2，所述步骤二的入射角度选取42.0至45.0度，所述步骤三是将入射到棱镜型SPR传感器镀膜区域的反射光分为TM偏振波和TE偏振波，以反射光中的TM偏振波作为测量光，TE偏振波作为参考光，而后令两束光经干涉系统和偏振片后产生干涉条纹，记录该干涉图像，所述步骤四是将入射到棱镜型SPR传感器非镀膜区域的反射光分为TM偏振波和TE偏振波，以反射光中的TM偏振波作为测量光，TE偏振波作为参考光，而后令两束光经干涉系统和偏振片后产生干涉条纹，记录该干涉图像，所述步骤五是将步骤三和步骤四获取的两幅图像对比、计算和处理，得到两幅干涉图像中干涉条纹的偏移量和干涉图像中相邻干涉条纹的间隔量，由此计算出镀膜区域TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差值。所述步骤二的入射角度值变化间隔至少为0.1度。所述步骤二的一组以SPR共振角度为中心变化的入射角度值最少选取10个测量角度；所述步骤三入射到棱镜型SPR传感器镀膜区域的反射光，为入射到棱镜型SPR传感器棱镜-双层金属薄膜界面的光线，入射角是步骤二中设定的SPR共振角度附近的入射角度；所述步骤四入射到棱镜型SPR传感器非镀膜区域的反射光，为入射到棱镜型SPR传感器棱镜-空气界面的光线，入射角等于步骤三中的入射角；所述步骤六从初始角度开始依次改变入射角度，变化顺序应按照步骤二所设定的一组入射角度；所述步骤七比对步骤一所得理论曲线和步骤六所得测量曲线是通过计算理论数据和测量数据的残差平方和最小时，确定SPR传感器所镀双层金属薄膜的厚度。所述金属薄膜为金、银、铜、铝、铂、钛、镍、铬薄膜。所述金属薄膜测量总厚度范围为0-100nm测量精度为0.1nm。所述金属薄膜测量总厚度范围为20-80nm。本专利技术的有益效果是：本专利技术是基于双层金属膜结构棱镜型SPR传感器和相位调制方法，采用激光干涉方法对TM偏振波和TE偏振波进行相位调制，并利用二者的相位变化量差值随入射角度变化的关系，实现了对纳米级双层金属薄膜厚度的非接触、高精度测量，且该测量系统结构简单、便于操作。附图说明图1为本专利技术镀制双层金属膜的棱镜型SPR传感器的基本结构示意图，图2a为本专利技术30nm银膜厚度对应的TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差值随入射角度变化的曲线图，图2b为本专利技术10nm金膜厚度对应的TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差值随入射角度变化的曲线图，图2c为本专利技术银膜/金膜总厚度40nm对应的TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差值随入射角度变化的曲线图，图3为本专利技术用于测量纳米级双层金属薄膜厚度的SPR相位测量方法的实施步骤流程图，图4为本专利技术基于SPR相位检测方法测量双层金属薄膜厚度的实验装置示意图，图5为本专利技术棱镜型SPR传感器放置在XYZ三维平移导轨和转角平台上的示意图，图6为本专利技术干涉图像中干涉条纹强度的一维空间位置示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明：表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)效应是一种特殊的物理光学现象。利用光波在介质与金属交界面上发生全反射时所产生的倏逝波，可以引发金属表面自由电子的集体振荡，从而形成表面等离子体波(Surface Plasmon Wave，SPW)，它的磁场矢量方向平行于介质与金属的交界面，磁场强度在交界面处达到最大值且在两种介质中呈现指数型衰减趋势，当入射光波矢等于表面等离子体波波矢时，即可激发SPR效应。目前，SPR传感技术的调制类型主要有角度型、光谱型和相位型，其中相位型SPR传感技术拥有更高的灵敏度，具有明显优势。基于SPR技术建立的棱镜型和光纤型SPR传感器的应用领域主要集中在化学和生命科学方面，目前SPR传感器的镀膜结构虽然以单层结构为主，但是应用单层结构的局限性在于由其构成的SPR传感器的测量灵敏度不够高且某些金属材料的粘附性不好，因此很多研究人员为了进一步提高SPR传感器的灵敏度以及金属膜层和SPR传感器的黏附性，出现了采用多层结构(以双层结构为主)SPR传感器的应用趋势。在利用双层结构棱镜型SPR传感器的应用过程中发现，SPR传本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于测量纳米级双层金属薄膜厚度的SPR相位测量方法，其特征是：步骤如下：步骤一：根据金属薄膜膜层厚度建立对应的TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差值随入射角度变化的理论曲线图；步骤二：设定一组以SPR共振角度为中心变化的入射角度值，使入射光以任一初始角度入射到棱镜型SPR传感器的双层金属薄膜界面；步骤三：根据步骤二所述的入射角获取棱镜型SPR传感器镀膜区域的干涉条纹图像；步骤四：根据步骤二所述的入射角获取棱镜型SPR传感器非镀膜区域的干涉条纹图像；步骤五：将步骤三和步骤四获取的图像进行比对、计算，得到镀膜区域TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差值；步骤六：根据步骤二，从初始角度开始依次改变入射角度，并重复步骤三至步骤五，得到相位变化量差值随入射角度变化的测量曲线图；步骤七：比对步骤一所得相位变化量差值随入射角度变化的理论曲线和步骤六所得测量曲线，确定SPR传感器所镀双层金属薄膜的厚度。
【技术特征摘要】
1.一种用于测量纳米级双层金属薄膜厚度的SPR相位测量方法，其特征是：步骤如下：步骤一：根据金属薄膜膜层厚度建立对应的TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差值随入射角度变化的理论曲线图；步骤二：设定一组以SPR共振角度为中心变化的入射角度值，使入射光以任一初始角度入射到棱镜型SPR传感器的双层金属薄膜界面；步骤三：根据步骤二所述的入射角获取棱镜型SPR传感器镀膜区域的干涉条纹图像；步骤四：根据步骤二所述的入射角获取棱镜型SPR传感器非镀膜区域的干涉条纹图像；步骤五：将步骤三和步骤四获取的图像进行比对、计算，得到镀膜区域TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差值；步骤六：根据步骤二，从初始角度开始依次改变入射角度，并重复步骤三至步骤五，得到相位变化量差值随入射角度变化的测量曲线图；步骤七：比对步骤一所得相位变化量差值随入射角度变化的理论曲线和步骤六所得测量曲线，确定SPR传感器所镀双层金属薄膜的厚度。2.根据权利要求1所述的用于测量纳米级双层金属薄膜厚度的SPR相位测量方法，其特征是：所述步骤一的不同金属薄膜膜层厚度对应的TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差值随入射角度变化的理论曲线图参数为：1)入射角度θ，2)棱镜折射率np，3)入射光波长λ，4)双层金属薄膜的介电常数εm1、εm2，所述步骤二的入射角度选取42.0至45.0度，所述步骤三是将入射到棱镜型SPR传感器镀膜区域的反射光分为TM偏振波和TE偏振波，以反射光中的TM偏振波作为测量光，TE偏振波作为参考光，而后令两束光经干涉系统和偏振片后产生干涉条纹，记录该干涉图像，所述步骤四是将入射到棱镜型SPR传感器非镀膜区域的反射光分为TM偏振波和TE偏振波，以反射光中的TM偏振波作为测量光，TE偏振波作为参考光...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘庆纲，刘超，秦自瑞，解娴，郎垚璞，刘睿旭，李洋，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12
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