一种基于光学干涉的光学薄膜反射率测量系统及测量方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于光学干涉的光学薄膜反射率测量系统，包括：光纤端面反射率测试子系统，通过改变两个光纤端面之间的腔长距离，采集多组干涉光谱并计算对应腔长；基于双光束干涉公式拟合多组干涉光谱并解算光纤端面的实测反射率；将实测反射率与光谱仪直接测得的光纤端面标准反射率对比，通过多项式拟合获得反射率补偿系数

An optical film reflectivity measurement system and method based on optical interference

【技术实现步骤摘要】
一种基于光学干涉的光学薄膜反射率测量系统及测量方法


[0001]本专利技术涉及光学测量
，特别是一种基于光学干涉的光学薄膜反射率测量系统及测量方法。

技术介绍

[0002]光学薄膜是由薄的分层介质构成的，通过界面传播光束的一类光学介质材料。光学薄膜赋予了光学元件多种使用性能，在众多的光学系统及装置中得到了广泛应用，而且其性能与质量直接影响了光学系统或装置的应用水平。
[0003]其中，反射率是光学薄膜最基本、最重要的光学特性之一，因此光学薄膜反射率的测量也是光学薄膜的关键测量技术之一。反射率是指给定条件下(入射光波长、偏振态以及入射角等)，反射的辐射通量或光通量与入射的通量之比，目前最常用的光学干涉反射率测量方法是通过解调干涉光谱的方式实现反射率的测量，同时根据中国国家标准化管理委员会所发布的《GB/T 37412
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2019激光器和激光相关设备光腔衰荡高反射率测量方法》，反射率测量结果与腔长无关，但其他可影响反射率测量结果的因素可能与腔长有关，例如衍射损失、有限的仪器响应时间等。因此为了获取高精度的光学薄膜反射率，尤其是超薄光学薄膜的低反射率值时，需要引入合理的修正方式提高测量精度。
[0004]上世纪70年代末，为解决国内激光陀螺光学镀膜的问题，高伯龙院士提出了利用差动原理进行透射率/反射率的测量方案，基于此原理制备的透反仪，目前仍在广泛使用。后来随着透射/反射率积分球的出现，实现了可用于各种媒介的透射率和反射率的测量，但其价格昂贵，空间占有率过高，难以普及。2020年，在中国专利文献CN110646169中，公开了一种曲面光学薄膜元件的反射率测量方法，提供了一种可解决角度不同光线难以全部收集的问题，保证了不同曲率半径的曲面光学薄膜反射率的测量精度，但这种方法仍依赖于积分器，且对平面光学薄膜的反射率测量精度并未提及。2021年，在中国专利文献CN113008833A中，公开了一种高精度光学薄膜反射率测量方法，通过构造平衡探测光路，利用Fresnel公式和差动原理，将测量光束的反射率测量问题转换为参考光束在光学棱镜表面的反射率精度标定问题，但此方法所采用的测试系统复杂，且未考虑光路损耗带来的影响。
[0005]因此现有研究表明，在光学薄膜的反射率测量领域，存在如下技术缺陷：
[0006](1)光干涉法是最常用、最准确的测量方式，但光干涉法难免受到传输过程中光路损耗的影响，光损耗会导致解算的反射率存在误差，进一步导致测得的光学薄膜反射率不准确。
[0007](2)目前市面上的反射率测试仪器结构复杂、空间占用率较高，且在超薄光学薄膜的测试方法上具有很大的局限性。

技术实现思路

[0008]本专利技术针对现有技术的缺陷，提供一种基于光学干涉的光学薄膜反射率测量系统
及测量方法，基本原理是对光学薄膜的反射率进行修正式测量，其中的测量系统和测量方法通过对干涉光谱进行双光束干涉拟合，结合光纤端面标准反射率的校准补偿，实现光学薄膜反射率的准确解算，从而可有效降低光学薄膜反射率测量误差较大的问题，使测试系统抗干扰性更强，对薄膜光学特性研究具有重要的实际意义与应用价值。
[0009]根据本专利技术一方面，提供了一种基于光学干涉的光学薄膜反射率测量系统，包括：
[0010]光纤端面反射率测试子系统、光学薄膜反射率测试子系统以及修正子系统，其中：
[0011]所述光纤端面反射率测试子系统用于获得反射率补偿系数
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腔长的关系式，包括：进行光纤的反射率数据采集，通过改变两个光纤端面之间的腔长距离，采集多组干涉光谱并计算对应腔长；基于双光束干涉公式拟合所述多组干涉光谱并解算所述光纤端面的实测反射率；将所述实测反射率与光谱仪直接测得的光纤端面标准反射率进行对比，通过多项式拟合获得反射率补偿系数
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腔长的关系式；
[0012]所述光学薄膜反射率测试子系统用于通过改变对准的单模光纤与光学薄膜之间的距离，利用所述光纤端面反射率测试子系统采集的多组干涉光谱，基于双光束干涉公式拟合干涉光谱，从而解算所述光学薄膜的实测反射率；
[0013]所述修正子系统基于所述反射率补偿系数的表达式对所述光学薄膜的实测反射率进行修正，从而获得光学薄膜的修正反射率；
[0014]其中：
[0015]所述光纤端面反射率测试子系统包括入射单模光纤(1)、插芯(2)、插芯匹配套管(3)、环氧树脂胶(4)、反射单模光纤(5)、光谱仪(6)、宽带光源(7)、光环形器(8)以及三维光纤微动平台；其中，所述入射单模光纤(1)具有入射单模光纤端面(11)，所述反射单模光纤(5)具有反射单模光纤端面(51)；所述插芯(2)为的一端为抛光端面，为氧化锆插芯；所述插芯匹配套管(3)的底面为C型，材质为氧化锆、SiO2或玻璃，所述宽带光源(7)用于提供光输入信号，所述光谱仪(6)用于采集入射单模光纤(1)和反射单模光纤(5)的干涉光谱，所述光环形器(8)用于光信号的传输，通过改变入射单模光纤端面(11)与反射单模光纤端面(51)之间的距离，调节法布里珀罗干涉腔的腔长，并对入射单模光纤(1)和反射单模光纤(5)的干涉光谱进行数据处理，得到腔长和待测的反射单模光纤(5)的反射单模光纤端面(51)的反射率以及反射率补偿系数
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腔长的关系式；
[0016]所述光学薄膜反射率测试子系统包括与所述光纤端面反射率测试子系统共用的入射单模光纤(1)、插芯(2)、插芯匹配套管(3)、环氧树脂胶(4)、光谱仪(6)、宽带光源(7)、光环形器(8)以及三维光纤微动平台，还包括光学薄膜(9)以及电镜铜网(10)；其中所述光学薄膜(9)覆盖在所述电镜铜网(10)上；所述宽带光源(7)提供光输入信号，所述光谱仪(6)采集所述入射单模光纤(1)和所述光学薄膜(9)的干涉光谱，所述光环形器(8)用于光信号的传输，所述入射单模光纤(1)具有入射单模光纤端面(11)，通过三维光纤微动平台调节所述入射单模光纤端面(11)与光学薄膜(9)之间的距离，改变入射单模光纤端面(11)与光学薄膜(9)之间的距离，调节法布里珀罗干涉腔的腔长，并对入射单模光纤端面(11)与光学薄膜(9)的干涉光谱进行数据处理，得到腔长与光学薄膜的反射率，经反射率补偿系数修正后，得到光学薄膜的修正反射率。
[0017]优选的，所述光学薄膜(9)为单层、少层或多层膜；所述光学薄膜(9)的形状为圆形、方形、三角形或上述不同形状的的组合。
[0018]本专利技术的目的还在于提供一种基于光学干涉的光学薄膜反射率测量方法，包括：
[0019]步骤1，选定所述光纤端面反射率测试子系统与所述光学薄膜反射率测试子系统的组件并根据测试进程分别进行组装，所述组件包括入射单模光纤(1)、插芯(2)、插芯匹配套管(3)、环氧树脂胶(4)、反射单模光纤(5)、光谱仪(6)、宽带光源(7)、光环形器(8)、光学薄膜(9)、电镜铜网(10)以及三维光纤微动平台；
[0020]步骤2，对入射单模光纤(1)、插芯本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光学干涉的光学薄膜反射率测量系统，其特征在于，包括：光纤端面反射率测试子系统、光学薄膜反射率测试子系统以及修正子系统，其中：所述光纤端面反射率测试子系统用于获得反射率补偿系数
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腔长的关系式，包括：进行光纤的反射率数据采集，通过改变两个光纤端面之间的腔长距离，采集多组干涉光谱并计算对应腔长；基于双光束干涉公式拟合所述多组干涉光谱并解算所述光纤端面的实测反射率；将所述实测反射率与光谱仪直接测得的光纤端面标准反射率进行对比，通过多项式拟合获得反射率补偿系数
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腔长的关系式；所述光学薄膜反射率测试子系统用于通过改变对准的单模光纤与光学薄膜之间的距离，利用所述光纤端面反射率测试子系统采集的多组干涉光谱，基于双光束干涉公式拟合干涉光谱，从而解算所述光学薄膜的实测反射率；所述修正子系统基于所述反射率补偿系数的表达式对所述光学薄膜的实测反射率进行修正，从而获得光学薄膜的修正反射率；其中：所述光纤端面反射率测试子系统包括入射单模光纤(1)、插芯(2)、插芯匹配套管(3)、环氧树脂胶(4)、反射单模光纤(5)、光谱仪(6)、宽带光源(7)、光环形器(8)以及三维光纤微动平台；其中，所述入射单模光纤(1)具有入射单模光纤端面(11)，所述反射单模光纤(5)具有反射单模光纤端面(51)；所述插芯(2)为的一端为抛光端面，为氧化锆插芯；所述插芯匹配套管(3)的底面为C型，材质为氧化锆、SiO2或玻璃，所述宽带光源(7)用于提供光输入信号，所述光谱仪(6)用于采集入射单模光纤(1)和反射单模光纤(5)的干涉光谱，所述光环形器(8)用于光信号的传输，通过改变入射单模光纤端面(11)与反射单模光纤端面(51)之间的距离，调节法布里珀罗干涉腔的腔长，并对入射单模光纤(1)和反射单模光纤(5)的干涉光谱进行数据处理，得到腔长和待测的反射单模光纤(5)的反射单模光纤端面(51)的反射率以及反射率补偿系数
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腔长的关系式；所述光学薄膜反射率测试子系统包括与所述光纤端面反射率测试子系统共用的入射单模光纤(1)、插芯(2)、插芯匹配套管(3)、环氧树脂胶(4)、光谱仪(6)、宽带光源(7)、光环形器(8)以及三维光纤微动平台，还包括光学薄膜(9)以及电镜铜网(10)；其中所述光学薄膜(9)覆盖在所述电镜铜网(10)上；所述宽带光源(7)提供光输入信号，所述光谱仪(6)采集所述入射单模光纤(1)和所述光学薄膜(9)的干涉光谱，所述光环形器(8)用于光信号的传输，所述入射单模光纤(1)具有入射单模光纤端面(11)，通过三维光纤微动平台调节所述入射单模光纤端面(11)与光学薄膜(9)之间的距离，改变入射单模光纤端面(11)与光学薄膜(9)之间的距离，调节法布里珀罗干涉腔的腔长，并对入射单模光纤端面(11)与光学薄膜(9)的干涉光谱进行数据处理，得到腔长与光学薄膜的反射率，经反射率补偿系数修正后，得到光学薄膜的修正反射率。2.根据权利要求1所述的一种基于光学干涉的光学薄膜反射率测量系统，其特征在于，所述光学薄膜(9)为单层、少层或多层膜；所述光学薄膜(9)的形状为圆形、方形、三角形或上述不同形状的的组合；所述光学薄膜(9)可为二维材料或有机膜。3.一种根据权利要求1
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2任一所述基于光学干涉的光学薄膜反射率测量方法系统的测量方法，其特征在于，包括：步骤1，选定所述光纤端面反射率测试子系统与所述光学薄膜反射率测试子系统的组
件并根据测试进程分别进行组装，所述组件包括入射单模光纤(1)、插芯(2)、插芯匹配套管(3)、环氧树脂胶(4)、反射单模光纤(5)、光谱仪(6)、宽带光源(7)、光环形器(8)、光学薄膜(9)、电镜铜网(10)以及三维光纤微动平台；步骤2，对入射单模光纤(1)、插芯(2)、插芯匹配套管(3)、反射单模光纤(5)进行预处理，包括：对所述插芯(2)以及所述插芯匹配套管(3) 进行超声、去离子水清洗后，用光纤切割刀将所述入射单模光纤(1)和所述反射单模光纤(5)的尾端切平，并去除涂覆层及包层，露出部分裸纤，通过显微镜或端面检测仪检查所述入射单模光纤(1)和所述反射单模光纤(5)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李成，万震，刘洋，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：