【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于一维光子晶体结构检测，尤其涉及一种基于反射光谱的一维光子晶体结构无损检测方法。
技术介绍
1、一维光子晶体(one-dimensional photonic crystal，简写为1dphc)是由不同折射率的两种或两种以上介电单元层沿一个方向周期性排列而形成的多层膜结构，其根本特征是具有光子禁带，位于禁带内的光波因受到结构反射作用而无法在1dphc中传播。基于此特性，1dphc多层膜被广泛应用于传感器、太阳能电池、无墨印刷、辐照防护、红外隐身等领域。图1所示为两种不同折射率材料构成的周期数为4的光子晶体多层膜，通过各层间界面反射光束的干涉作用，可实现特定波段(光子禁带)光波的选择性反射。1dphc多层膜结构检测技术是分析1dphc膜系周期数及各单元层厚度的一种技术。该技术可用于指导1dphc光学薄膜规模化、智能化生产。
2、目前，用于1dphc多层膜结构检测的方法主要有两种：截面形貌观察法和光学椭偏法。截面形貌观察法是通过制取1dphc多层膜截面，利用透射电镜、扫描电镜或原子力显微镜等对截面进行微观形貌表征，结合image j等图像处理软件，测量统计膜系周期数及各单元层厚度。此类方法虽简单、直观，但存在诸多弊端，主要表现在三个方面：①高质量截面制备过程涉及冷冻超薄切片、聚焦离子束(fib)切割、氩离子抛光等精密技术，工艺要求严苛且繁琐，截面形貌表征费用昂贵；②受设备扫描精度和观察角度影响，针对截面图片进行的测量统计值与实际值存在一定的偏差，且难以消除；③截面制备必然会对原始样品造成不可逆性损伤，样品无法
技术实现思路
1、针对现有技术不足，本专利技术提出一种新的兼具非干扰性与(基底)普适性的光子晶体多层膜结构检测方法，弥补现有光学薄膜结构检测方法的不足，以实现任何基底表面1dphc多层膜结构的快速、低成本、高精度无损检测。
2、本专利技术提供如下技术方案：
3、一种基于反射光谱的一维光子晶体结构无损检测方法，包括以下步骤：
4、s1，通过采集一维光子晶体结构的反射光谱，确定光子禁带作为目标函数；
5、s2，以光子晶体周期数及各单元层厚度作为决策参量，基于monte carlo模拟方法对目标函数进行拟合，实现对一维光子晶体结构的无损检测。
6、进一步地，步骤s1中，所述一维光子晶体结构多层膜的光学反射特性与基底折射率、膜系周期数、各单元层折射率及厚度物理结构参数相关。
7、进一步地，步骤s1中，所述反射光谱通过传输矩阵法进行计算：
8、
9、式中，r代指反射率，λ代表光波长，*为共轭符号，b和c通过各单元层的特征矩阵相乘计算得出，如下：
10、
11、其中，n代表一维光子晶体的周期数，i为虚数单位，下标0、j和s分别代表空气层、各单元层序号和基底，光波法向入射时，各膜层的相位厚度δj＝2πdjnj(λ)/λ，光学导纳ηj＝nj(λ)ζ，n(λ)和d分别代表相应介质层的折射率色散关系和厚度，ζ代表自由空间中的光学导纳(ζ＝2.6544*10-3)，n(λ)是指膜层对于光波长为λ时的复折射率，即n(λ)＝nr(λ)-ini(λ)，其中nr(λ)和ni(λ)为单层膜椭偏仪测试中所获得的折射率与消光系数。
12、进一步地，步骤s1中，在基底及各单元层折射率已知的情况下，一维光子晶体多层膜的禁带位置、宽度及强度则由膜系周期数n、高折射率单元层厚度dh及低折射率单元层厚度dl决定，即：r(λ)＝f(λ,n,dh,dl)。
13、进一步地，依据实测反射光谱禁带中心波长λg，结合布拉格公式，初步确定各单元层厚度范围，即：
14、mλg＝2(nhdh+nldl)
15、式中，m代指光子禁带个数，dh和dl的取值范围分别为(0,mλg/2nh]、(0,mλg/2nl]。
16、进一步地，依据禁带中心反射峰强度，结合下式计算周期数n的预测值ng，初步确定周期数n的取值范围(0,2ng]，即：
17、
18、进一步地，步骤s2中，基于monte-carlo模拟方法对目标函数进行拟合，获取最佳结构参数。
19、进一步地，步骤s2中，以周期数n、高折射率层厚度dh及低折射率层厚度dl为决策参量，在各参量初步确立的取值区间内进行随机抽样作为试探数据组，将其带入下列两个公式，得到拟合反射光谱rs(λ)，公式如下：
20、
21、
22、进一步地，通过计算拟合反射光谱rs(λ)与步骤s1中的目标函数r(λ)之间的相关系数r，判断决策参量的适用度，以相关系数最高时的决策参量作为最佳结构参数，公式如下：
23、
24、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
25、(1)本专利技术一种基于反射光谱的一维光子晶体结构无损检测方法，本专利技术提供一种新的兼具非干扰性与(基底)普适性的光子晶体多层膜结构检测方法，弥补现有光学薄膜结构检测方法的不足，以实现任何基底表面1dphc多层膜结构的快速、低成本、高精度无损检测。
26、(2)本专利技术一种基于反射光谱的一维光子晶体结构无损检测方法，本专利技术采用实测反射光谱作为一维光子晶体结构检测的核心依据，对样品无破坏性，且对任何材质基底均适用，可有效改善传统光学薄膜结构检测过程中出现的问题,显著提高结构检测精度和效率，有效降低检测成本。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种基于反射光谱的一维光子晶体结构无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述一种基于反射光谱的一维光子晶体结构无损检测方法，其特征在于，步骤S1中，所述一维光子晶体结构多层膜的光学反射特性与基底折射率、膜系周期数、各单元层折射率及厚度物理结构参数相关。
3.根据权利要求2所述一种基于反射光谱的一维光子晶体结构无损检测方法，其特征在于，步骤S1中，所述反射光谱通过传输矩阵法进行计算：
4.根据权利要求3所述一种基于反射光谱的一维光子晶体结构无损检测方法，其特征在于，步骤S1中，在基底及各单元层折射率已知的情况下，一维光子晶体多层膜的禁带位置、宽度及强度则由膜系周期数N、高折射率单元层厚度dH及低折射率单元层厚度dL决定，即：R(λ)＝F(λ,N,dH,dL)。
5.根据权利要求4所述一种基于反射光谱的一维光子晶体结构无损检测方法，其特征在于，依据实测反射光谱禁带中心波长λG，结合布拉格公式，初步确定各单元层厚度范围，即：
6.根据权利要求5所述一种基于反射光谱的一维光子晶体结构无损检测方法，其特征
7.根据权利要求6所述一种基于反射光谱的一维光子晶体结构无损检测方法，其特征在于，步骤S2中，基于Monte-Carlo模拟方法对目标函数进行拟合，获取最佳结构参数。
8.根据权利要求7所述一种基于反射光谱的一维光子晶体结构无损检测方法，其特征在于，步骤S2中，以周期数N、高折射率层厚度dH及低折射率层厚度dL为决策参量，在各参量初步确立的取值区间内进行随机抽样作为试探数据组，将其带入下列两个公式，得到拟合反射光谱Rs(λ)，公式如下：
9.根据权利要求8所述一种基于反射光谱的一维光子晶体结构无损检测方法，其特征在于，通过计算拟合反射光谱Rs(λ)与步骤S1中的目标函数R(λ)之间的相关系数r，判断决策参量的适用度，以相关系数最高时的决策参量作为最佳结构参数，公式如下：
...【技术特征摘要】
1.一种基于反射光谱的一维光子晶体结构无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述一种基于反射光谱的一维光子晶体结构无损检测方法，其特征在于，步骤s1中，所述一维光子晶体结构多层膜的光学反射特性与基底折射率、膜系周期数、各单元层折射率及厚度物理结构参数相关。
3.根据权利要求2所述一种基于反射光谱的一维光子晶体结构无损检测方法，其特征在于，步骤s1中，所述反射光谱通过传输矩阵法进行计算：
4.根据权利要求3所述一种基于反射光谱的一维光子晶体结构无损检测方法，其特征在于，步骤s1中，在基底及各单元层折射率已知的情况下，一维光子晶体多层膜的禁带位置、宽度及强度则由膜系周期数n、高折射率单元层厚度dh及低折射率单元层厚度dl决定，即：r(λ)＝f(λ,n,dh,dl)。
5.根据权利要求4所述一种基于反射光谱的一维光子晶体结构无损检测方法，其特征在于，依据实测反射光谱禁带中心波长λg，结合布拉格公式，初步确定各单元层厚度范围，即：
【专利技术属性】
技术研发人员：张军利，韩健，刘春太，张昕喆，张亚敏，刘战合，李国举，王晓璐，
申请(专利权)人：郑州航空工业管理学院，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。