宽光谱膜厚监控系统中光谱实时测量技术研究

 在宽光谱膜厚监控系统中,利用光栅光谱仪分光,线阵CCD接收,完成光谱的一次性快速扫描来控制膜层厚度,达到实时监控的要求。而系统光谱扫描的准确性,直接影响膜厚实时监控的有效性。为了得到准确的光谱信息,首先确定CCD像素和光波波长的对应关系,基于特征谱线的离散关系,采用最小二乘拟合法建立了光谱标定函数,经实验,标定波长均方根误差为0.037 nm;对于CCD实时输出的光谱监控信号,利用小波阈值优化算法抑制信号中的随机噪声,保留了光谱信号的细节成分,峰值误差的最大值为1.0%,峰位误差的最大值为0.3%,满足了监控中光谱分辨率的要求。     

膜厚监控系统的光谱宽度对窄带滤光片性能的影响

讨论了膜厚监控系统的光谱宽度对波分复用窄带滤光片特性的影响,分析了监控过程中所出现的信号异常现象,其主要原因是控制光光谱宽度以及控制波长与滤光片中心波长不一致,所以控制光光谱分辨率必须小于单个法布里-珀罗滤光片最后2层膜折转点波长宽度的一半,即对100GHz的滤光片,监控系统的光谱宽度必须小于0．2nm。一旦产生中心波长偏离,就必定产生厚度控制误差。讨论了高折射率膜和低折射率膜的信号变化规律,发现当中心波长比监控波长长时,虽然信号变化规律正确,但判读到极值时的膜厚变薄。中心波长偏离越长,厚度将越薄。而当中心波长比监控波长短时,信号将出现反转。中心波长越短,反转量越大。最后指出了监控误差对滤光片Tmax和半峰全宽的影响。     

近红外宽截止窄带滤光膜的研制

在空间光通信系统中,为满足光学系统对滤光膜的特殊要求,研制出了一种近红外宽截止窄带滤光膜,实现了降低深背景范围内杂散光干扰的要求.通过对薄膜材料特性的研究、膜系设计曲线的不断优化,得到了相对易于制备的窄带滤光膜结构;采用电子束加热蒸发及离子辅助沉积技术制备薄膜,采用光控加晶控同时监控的方法监控膜层厚度,通过不断优化工艺参量,提高中心波长处的透过率,最终成功得到了光谱性能较好的滤光膜.经光谱测试表明:所镀膜层在800~1 530nm、1 600~1 800nm波段平均透过率低于0.3%,1 565nm单点透过率高于92%,通带半带宽为18nm,满足光学系统的使用要求.     

宽谱段高分辨扫描光谱定标技术

为了满足原子发射光谱仪在紫外至近红外宽谱段范围内的高光谱分辨率快速检测需求,采用精密角位移平台直接驱动光栅,配合面阵探测器,实现高精度光谱分段快速扫描探测。但在扫描过程中,探测器像元波长增量与光栅转角呈非线性关系,且不同像元的波长增量不同,这对该光谱仪波长定标造成障碍。为校正光栅色散的非线性,基于光栅方程精确计算光栅转角与探测器首尾两端像元波长的映射关系,针对同一光栅转角,探测器其余像元波长利用首尾像元波长按照局部线性色散规律计算得到,从而完成全谱段光谱定标。依据定标所得转角与探测波段对应关系依次驱动光栅转动,实现宽谱段范围内的分段高精度光谱快速扫描探测。利用汞灯光源对该定标方法的波长检测精度进行检验,在200~800 nm的宽谱段范围内,波长准确度优于0.018 nm,波长重复性优于0.001 nm。     

染料掺杂液晶可调谐光纤荧光光源的研究

本文提出了染料掺杂液晶填充空心光纤构造荧光可调谐光源.基于染料分子能级结构理论分析B4400荧光光谱依赖温度的变化特性,采用脉宽8 ns,波长为532 nm YAG倍频脉冲激光器抽运,向列相液晶作基体,实验分析染料B4400掺杂液晶填充空心光纤荧光光谱选择性荧光放大规律及温度调谐特性.结果表明:通过控制染料浓度可控制荧光输出功率水平;当温度升高时,中心波长发生红移,中心波长调谐范围为590—605 nm;荧光谱宽呈单调展宽,调制范围为228—236 nm;染料掺杂液晶填充空心光纤荧光光源可实现一定范围内的温度调谐.     

CCD在光学镀膜宽带膜厚监控系统中的应用研究

讨论了 CCD的主要特性及对宽带膜厚监控系统的影响 ,介绍了典型的 CCD数据采集系统。建立了一套基于 CCD的宽带膜厚监控系统 ,并对该系统进行了光谱标定及光谱补偿 ,给出了提高信噪比及减小非线性影响的处理方法。     

利用AOTF多光谱成像系统实现伪装目标的识别

针对传统分光器件存在移动部件以及不能快速实时选择波长的不足,搭建了用声光可调滤光器(AOTF)作为分光器件的多光谱成像系统。系统由光学镜头、AOTF、AOTF驱动器、CCD摄像机和图像采集系统组成。本系统能够在(500~1000)nm的光谱范围内成像。通过对AOTF的控制可以任意选择系统的光谱,从而有目的地选择具有典型目标特性的不同波段的光谱波长,形成同一目标在不同光谱波长下的不同图像。采用迷彩布、头盔以及自然花草进行多次目标特性识别试验,得到了能突出目标特性的具有典型光谱特性的图像。证实了基于AOTF的多光谱成像系统灵敏度高、体积小、无移动部件,并且能够快速实时地改变和选择光谱波段,在所成的多光谱图像中能提高目标与背景的对比度,对伪装目标有明显的探测和识别能力,能将伪装目标与背景区分开。     

采用AOTF技术的红外光谱仪的设计

介绍了采用AOTF技术的红外光谱仪的总体结构。讨论了单色系统和光谱接收系统的光学设计问题,以及单片机控制下的DDS频率 波长扫描电路和光谱信号相关检测电路。概述了PC机控制系统的组成和设计考虑。     

基于棱镜扫描法的太阳光谱仪光谱定标

为了标定扫描式棱镜太阳光谱仪的棱镜不同转动角度对应的中心波长和光谱带宽,利用了一种棱镜扫描方法对太阳光谱仪的光谱响应函数进行测量。该方法使用固定的单色光波长,控制棱镜转动实现单色光的像在探测器位置扫描,并通过坐标映射得到响应位置的光谱响应函数。文中根据光谱响应函数的定义,推导出棱镜扫描法与单色仪波长扫描方法波长定标原理上的等效性。之后分别以532 nm固体激光器和632.8 nm氦氖激光器为光源,使用棱镜扫描法测量太阳光谱仪对应波长位置的光谱响应函数,并以单色仪波长扫描法实验作为对比。实验结果表明,对于扫描式棱镜太阳光谱仪,棱镜扫描法测量的中心波长分别为531.86和632.67 nm,其准确度优于单色仪波长扫描法测得的531.39和631.97 nm。由于不受单色仪性能的限制,前者测量的光谱带宽值也优于后者。最后以汞灯为光源使用棱镜扫描法对太阳光谱仪进行了光谱定标实验,实现了特征光谱定标法结合棱镜扫描法对中心波长及光谱带宽的标定。该方法同样可以应用于扫描式光栅光谱仪以及单色仪的光谱定标。     

基于扫描光纤激光器的光纤传感解调仪研究

介绍了一种基于扫描光纤激光器的光纤传感解调系统.采用氰化氢（HCN）气体吸收池作为波长参考基准,采用三次多项式拟合的方法来确定光纤F- P可调谐滤波器的波长与驱动电压的对应关系,可调谐滤波器扫描过程中对扫描电压、多路光谱信号进行同步采样,实时标定.实验结果表明,该解调系统在1 510 nm到1 590 nm波长范围内对FBG反射峰值波长的分辨率为1.4 pm,长期波长重复性达到3.2 pm.利用该系统实现了对FBG反射峰值波长和光纤EFPI传感器腔长的高准确度解调.     

Optical and electrical properties of aluminum zinc oxide (AZO) nanostructured thin film deposited on polycarbonate substrate

Transparent polymer materials, due to their unique properties, such as light weight, optical transparency, and electrical and mechanical properties, have become very attractive as a replacement for inorganic glass substrates in a wide range of optoelectronic applications. In this research, aluminum zinc oxide nanostructured thin film was deposited on polycarbonate polymer substrates using a magnetron sputtering technique. The structure, morphology, and surface composition of the thin film were investigated by X-ray diffraction and field emission scanning electron microscopy. The optical and electrical properties of the thin film were investigated by UV–VIS-NIR spectrophotometer, ellipsometer, and four point probe method. The X-ray diffraction pattern showed that the aluminum zinc oxide thin film had a polycrystalline structure. The optical and electrical results indicated that the refractive index, band gap, and sheet resistance of the aluminum zinc oxide thin film were 1.8, 3.2 eV, and 265 Ω/sq, respectively.     

基于光学薄膜的LED光谱调制技术

针对白光LED光谱与自然光谱的不同,讨论了采用光学薄膜改善白光LED光谱的可行性,同时提出了一种利用光学薄膜消除白光LED发光光谱中蓝光成份的方法,设计了光学薄膜的透过率曲线,并分析了其可行性.针对单色LED光谱随温度不同发生变化的特点,根据分析样品在4.9°、24°和49°三种环境温度下的光谱分布,设计了一种光学薄膜的透过率曲线,分析利用该设计薄膜改善单色LED光谱温度稳定性的可行性及结果.研究结果表明,在保证白光LED出光效率的前提下,仅靠在发光芯片上镀制光学薄膜的方式并不能改善光谱的结构,而使之与自然光中的可见光谱相似.采用设计的光学薄膜,可以消除白光LED发光光谱中的蓝光波段,提高光谱的舒适性.在4.9°、24°和49°三种环境温度下,利用设计的薄膜可将分析LED的发光光谱的中心波长稳定在700 nm附近,相对发光强度稳定在0.2附近,不同温度时光谱分布的相似性也有了较大的改善,研究结果有助于LED照明光源的进一步应用.     

基于光学薄膜的LED光谱调制技术

针对白光LED光谱与自然光谱的不同,讨论了采用光学薄膜改善白光LED光谱的可行性,同时提出了一种利用光学薄膜消除白光LED发光光谱中蓝光成份的方法,设计了光学薄膜的透过率曲线,并分析了其可行性.针对单色LED光谱随温度不同发生变化的特点,根据分析样品在4.9°、24°和49°三种环境温度下的光谱分布,设计了一种光学薄膜的透过率曲线,分析利用该设计薄膜改善单色LED光谱温度稳定性的可行性及结果.研究结果表明,在保证白光LED出光效率的前提下,仅靠在发光芯片上镀制光学薄膜的方式并不能改善光谱的结构,而使之与自然光中的可见光谱相似.采用设计的光学薄膜,可以消除白光LED发光光谱中的蓝光波段,提高光谱的舒适性.在4.9°、24°和49°三种环境温度下,利用设计的薄膜可将分析LED的发光光谱的中心波长稳定在700 nm附近,相对发光强度稳定在0.2附近,不同温度时光谱分布的相似性也有了较大的改善,研究结果有助于LED照明光源的进一步应用.     

薄膜光学锥形光栅的制备与光学特性分析

为了在光学薄膜中引入连续轮廓的微结构,综合利用薄膜的干涉效应与微结构的折反射、衍射效应,提出一种薄膜光学微结构的制备工艺。基于时域有限差分方法设计了具有可见光波段减反射特性的薄膜光学锥形光栅;采用单点金刚石车削技术,结合纳米压印与电感耦合等离子体刻蚀技术,在SiN_x薄膜中制备出高1.6 μm,周期4.1 μm的锥形光栅;在可见光波段,SiN_x薄膜光学锥形光栅的平均反射率为5.7%,反射率的实验检测结果与仿真计算结果达到很高的一致性;当入射光角度在30°以内,薄膜光学锥形光栅的减反特性表现出对光波入射角度的不敏感性。该制备工艺突破了单点金刚石车削技术的材料局限,将连续轮廓的微结构的直接形成工艺拓展至介质薄膜当中,实现了宽光谱、宽入射角度的减反射。     

N掺杂对非晶C薄膜的电子结构与光学性质的影响

用直流磁控溅射法制备了非晶C薄膜及N掺杂非晶C(a-C∶N)薄膜,用紫外-可见分光光谱仪、椭圆偏振仪、俄歇电子能谱(AES)等对薄膜进行了检测。结果表明：随源气体中N气含量的增加,透过率和折射率变小, 而光学带隙先增大后减小; 当薄膜中N的含量很少,N的掺入对sp3杂化C起稳定作用,使得薄膜光学带隙E_g增大。而较高量N的掺入抑制了sp3杂化C的形成,提高了薄膜中sp2键含量,使得薄膜光学带隙变小。参数D定义为俄歇电子能谱(AES)中最大正峰和最低负峰之间的距离,用俄歇电子能谱中的D值来计算薄膜的sp2键的百分含量,俄歇电子能谱(AES)表征也表明：较高量的N的掺入抑制了sp3杂化C的形成。所以应该考虑在较低N分压条件下掺N来改善非晶C薄膜的光学性能。     

表面等离子共振效应中传统近似理论与薄膜光学理论

指出Kretschmann模型的传统表面等离子共振公式在求解金属薄膜的参量时存在近似性,采用更为严密的薄膜光学理论,通过薄膜膜系的特征矩阵,得出表面等离子体共振衰减曲线.结果表明,表面等离子体共振近似理论与薄膜光学理论得到的共振角及反射率幅度存在差别;采用等高线图,给出了共振角差随着金属介电常量的变化规律.进一步的实验表明,薄膜光学理论所得模拟结果较表面等离子体共振近似理论与实验值吻合地更好,证明薄膜光学理论应用在表面等离子体共振效应要优于常用的近似理论.最后,采用两种理论对表面等离子体共振传感器进行优化设计,结果表明,两种理论所获得的高灵敏度分布区域差异较大,必须采用薄膜光学理论提供更精确的薄膜参量,来优化设计高灵敏度表面等离子体共振传感器.     

基于生物光学模型的水面薄油膜厚度的高光谱遥感反演实验研究

研究水表薄油膜厚度与其反射率光谱之间的变化规律,对于分析海洋油膜污染和油气勘探的遥感探测机理具有十分重要的意义。建立了水面薄油膜厚度的生物光学模型,并介绍了单波段和双波段比值简化算法反演薄油膜厚度信息的方法。通过对原油样品进行油膜厚度定量反演,研究了遥感反射率随水表油膜厚度的变化规律。研究发现,可见光到近红外波段(450～800nm)反射率对油膜厚度变化最为敏感,有很高的负相关关系,并且随着油膜厚度的增加呈负指数形态下降。对于浅水环境较混浊的水体,ETM1/ETM3双波段比值模型可以较好的消除线性天空散射光的影响,克服单波段反演模型在不同水质背景下反演效果不稳定的特点,其反演结果的复相关系数R2可以达到0.98,是水表薄油膜厚度遥感探测的较好波段选择。     

多孔氧化铝薄膜的制备和光学特性研究

采用阳极氧化法制备了二维有序纳米孔氧化铝膜.研究了工艺参数对多孔薄膜有序性、孔径、膜厚度等的影响，测量了多孔氧化铝有序膜的光透过、光吸收和光发射等光学特性.结果表明，在波长360 nm附近多孔氧化铝有序膜的光透过谱线和光吸收谱线发生突变，波长大于360 nm时，光透过增强；波长小于360 nm时，光吸收增强.多孔氧化铝有序膜的光致发光强度和峰位与激发光波长有关，光致发光谱范围在340~600 nm.     

纳米二氧化钒薄膜的电学与光学相变特性

采用双离子束溅射氧化钒薄膜附加热处理的方式制备了纳米二氧化钒薄膜。在热驱动方式下,分别利用四探针测试技术和傅里叶变换红外光谱技术对纳米二氧化钒薄膜的电学与光学半导体-金属相变特性进行了测试与分析。实验结果表明,电学相变特性与光学相变特性之间存在明显的偏差,电学相变温度为63 ℃,高于光学相变温度,60 ℃;电学相变持续的温度宽度较光学相变持续温度宽度宽;在红外光波段,随着波长的增加,纳米二氧化钒薄膜的光学相变温度逐渐增大,由半导体相向金属相转变的初始温度逐渐升高,相变持续的温度宽度变窄。在红外光波段,纳米二氧化钒薄膜的光学相变特性可以通过光波波长进行调控,电学相变特性更适合表征纳米VO₂薄膜的半导体-金属相变特性。     

Optical properties of hexagonal boron nitride thin films deposited by radio frequency bias magnetron sputtering

The optical properties of hexagonal boron nitride (h-BN) thin films were studied in this paper. The films were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy, UV--visible transmittance and reflection spectra. h-BN thin films with a wide optical band gap E_g (5.86 eV for the as-deposited film and 5.97 eV for the annealed film) approaching h-BN single crystal were successfully prepared by radio frequency (RF) bias magnetron sputtering and post-deposition annealing at 970~K. The optical absorption behaviour of h-BN films accords with the typical optical absorption characteristics of amorphous materials when fitting is made by the Urbach tail model. The annealed film shows satisfactory structure stability. However, high temperature still has a significant effect on the optical absorption properties, refractive index n, and optical conductivity σ of h-BN thin films. The blue-shift of the optical absorption edge and the increase of E_g probably result from stress relaxation in the film under high temperatures. In addition, it is found that the refractive index clearly exhibits different trends in the visible and ultraviolet regions. Previous calculational results of optical conductivity of h-BN films are confirmed in our experimental results.