光学镀膜指标——吸收损耗

一、什么是膜层的吸收损耗

吸收损耗是由于电能、电磁能或声能与材料介质相互作用而耗散或转换为其它形式的能量而引起的。在薄膜中体现为部分光能转化为热量而消散。

二、有哪几种类型的吸收损耗

膜层的吸收损耗分为两种形式:

1、固有吸收损耗

固有损失是材料本身对光能的吸收,每个材料都有其对应不同波长的吸收带。固有吸收损耗是无法消除的,但是可以通过薄膜制备方法、环境因素等使其发生改变。

2、外在吸收

外在吸收是材料杂质或界面污染引起的吸收损耗,有时,该损耗还和衬底特性有关联。

三、为什么要单独测量膜层的吸收损耗

一般来说,若需要获得光学元件的总损耗,只需测量其反射光谱和透射光谱足以。对于高反膜,可以使用光腔衰荡光谱法。但是,对于某些特定应用,吸收损耗和散射损耗对光学性能有不同的影响作用,因此往往需要单独测量吸收和散射损耗。同时,在某些情况下,将衬底吸收和膜层吸收分开测量可以用来区分不同的吸收来源。在光学镀膜测试中,散射损耗极小一般被忽略(在高透/高反膜中,极小的散射损耗也会带来极大的影响,本文第十问会对散射损耗做个简要补充),吸收损耗是我们关注的重点。

四、吸收损耗中的关键参数有哪些

1、吸收量(absorption)

吸收量表示在一定时间下,材料吸收一定波长的光的总和。

2、吸光度(Absorbance)

吸光度是入射到样品或材料上的光量与光与样品相互作用后检测到的光的比值的对数。其表示了样品对材料的吸收率,其值与膜厚和吸收系数有一定关系。

3、吸收系数α(absorption coefficient)

吸收系数表示材料对一定波长的光的吸收能力,决定了一定波长的光在被吸收之前可以穿透到材料中多远。其值很大程度上由材料的特性和波长决定。

4、吸收消光系数k(extinction coefficient)

吸收消光系数同样用来表征材料对一定波长的光的吸收能力。吸收消光系数k与吸收系数α满足一定的函数关系,其关系如下式所示:

α=(4π/λ)·k

       同时1dB/cm=4.34α。

五、膜层吸收损耗的测试方法是什么

测试膜层的吸收损耗的基本原理是利用激光辐照薄膜样品时的热效应。常用方法有有激光量热法、光热偏转法、光热共路径干涉测量法、表面热透镜法、光声光谱法、红外热像仪法等。在目前商用的一般有三种:

1、激光量热法

激光量热法是吸收损耗测量的国际标准(本文参照ISO 11551: 2019)。该方法测量吸收损耗的具体方法是采用一束激光辐照薄膜样品,随后使用热敏电阻(或热电偶)测量薄膜样品温度从辐照升温到冷却的变化,用函数拟合方法计算得到样品吸收率的数值。其假设测试样品的吸收在测量过程中样品所经历的温度波动范围内是恒定的。该方法的优点在于其十分简单,测量只涉及样品的比热容和应用的激光功率。但是,如对于低热导率材料,其依赖于环境湿度、样品材料、其表面粗糙度和背景介质等因素,导致其难以提高精确度。

2、光热偏转法(laser induced deflection / LID)

光热偏转法又称激光诱导偏转法,其所用装置包括激光器、反射镜、镀有样品膜层(例如高反镜)的元件、输出耦合器、激光功率计和用于温度测量的高温计。装置搭建如图1所示。由于使用特定偏转方向的测量,所以减小了衬底材料的吸收所带来的影响,提高了膜层吸收损耗测量的精确度。其可测量的最小吸收率小于1 ppm(10-6)。 但相对于激光量热法,其极高的测试精度需要依赖于较高的实验技巧。多使用1030nm激光测试反射膜。测试往往需要使用低辐照的激光源,可以尽量减小衬底材料的影响。

图2 光热偏转法示意图(反射膜为例)
图1光热偏转法示意图(反射膜为例)

3、光热共路径干涉测量法(photo-thermal common-path interferometry / PCI)

光热共路径干涉测量法又称为相敏泵浦探针技术(phase-sensitive pump-probe technique)。其通过泵浦光束将被测样品加热(吸收转化为热能)形成热透镜,使探测光束产生波前畸变。畸变使探测光束内部产生干涉效应,进而影响光束强度(相位),该强度(相位)变化能被探测器所探测到。通过泵浦光的周期开关,测试的干涉图样被时间调制,可以进一步获得更准确的薄膜的吸收率。在该方法中,衬底一般为平面。该方法的测量精度大致在5×10-4cm-1

图3 光热共路径干涉测量法示意图
图2 光热共路径干涉测量法示意图
此处内容已经被作者隐藏,请输入验证码查看内容
验证码:
请扫码关注微信公众号,然后回复“crylink”后,即可获取验证码。

参考文献

  • [1]absorption loss. https://www.its.bldrdoc.gov/fs-1037/dir-001/_0088.htm, 1996
  • [2]唐晋发, 顾培夫, 刘旭, 等. 现代光学薄膜技术 [M], 2007, 288-399
  • [3]Absorbance. https://en.wikipedia.org/wiki/Absorbance
  • [4]Absorption Coefficient. https://www.pveducation.org/pvcdrom/pn-junctions/absorption-coefficient
  • [5]荆建行, 孔明东, 王 强, 等. 基于红外热像仪的光学薄膜吸收测试方法[J]. 光电工程, 2021, 48(6): 210071
  • [6]Laser and electro-optical systems. ISO 11551:2019 Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment — Test method for absorptance of optical laser components, 2020
  • [7]Balasa I., Jensen L.O., Ristau D.. Laser calorimetric absorptance testing of samples with varying geometry. Optical Engineering, 2014, 53(12):122503
  • [8]layertec. https://www.layertec.de/en/, Germany
  • [9]Christian Mühlig, Siegfried Kufert, Simon Bublitz, et al. Laser induced deflection technique for absolute thin film absorption measurement: optimized concepts and experimental results. Applied Optics, 2011, 50(9): C449-C456
  • [10]A Guide to (Not Over) Specifying Losses in Laser Optics. https://www.edmundoptics.com/knowledge-center/application-notes/optics/a-guide-to-not-over-specifying-losses-in-laser-optics
  • [11]温家慧, 朱美萍, 孙建, 等. 激光薄膜吸收损耗控制研究进展 [J/OL]. 光学学报. https://kns.cnki.net/kcms/detail/31.1252.O4.20211110.1126.024.html

跟文章相关的视频

跟文章相关的应用

BBO

跟文章相关的产品

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。

Scroll to Top