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。     

软X射线Mo/Si多层膜反射率拟合分析

由于多层膜的表界面粗糙度和材料之间的相互扩散等因素，导致多层膜的实际反射率小于理论计算的反射率，因此，多层膜结构参量的确定对镀膜工艺参量的标定具有重要意义。由于描述单个非理想粗糙界面散射的Stearns法适用于软X射线短波段区域，采用它的数学模型来描述软X射线多层膜的粗糙度，利用最小二乘法曲线拟合法对同步辐射测得的Mo／Si多层膜的反射率曲线进行拟合，得到了非常好的拟合结果，从而确定了多层膜结构参量，同时分析了多层膜周期厚度，厚度比率，界面宽度以及仪器光谱分辨率对多层膜反射特性的影响，这些工作都为镀膜工艺改进提供了一定的理论依据。     

光电极值法结合外差干涉法监控膜厚的研究

光电极值法是光学薄膜厚度监测的常用方法,该方法在镀膜前引用块状材料的折射率设计膜系。而在实际镀制过程中,用于镀制光学薄膜的材料折射率会发生改变,从而给膜厚的监控带来误差。为了避免折射率变化的影响,采用外差干涉法测量折射率,将实际测得的薄膜折射率应用光电极值法监控薄膜的设计,从而减少了因材料折射率的变化引起的误差。以750nm截止滤光片的镀制为被测对象进行了实验,对制备的滤光片透射率光谱曲线进行了比较。结果表明,实际的透射率曲线与设计的透射率曲线吻合较好,两次实验曲线平均吻合度均在98%以上,系统稳定性很好,从而说明结合外差干涉法的光电极值监控法可以很好地克服折射率变化引起的误差。     

溶胶-凝胶法制备GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池梯度折射率减反膜

为了减少太阳能电池表面反射,提高多结太阳能电池效率,针对GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池和AM0光谱,设计了折射率梯度排列的四层减反膜系结构.利用溶胶-凝胶技术,通过对材料折射率的定向调节,制备了折射率梯度排列的TiO_2/ZrO_2/酸性SiO_2/碱性SiO_2四层减反膜.实验结果表明,镀膜后的三结太阳能电池在300~1 700 nm波长范围内的加权平均反射率由原先的28.58%降低至4.86%,最高反射率由46.35%降低至15.45%.     

多层高反膜光学常数和厚度的反演

基于精英保留策略的遗传算法具有良好的全局寻优能力和很强的鲁棒性,基于Levenberg-Marquardt 算法的非线性最小二乘法具有快速、高效的局部收敛能力.研究了将这两种算法结合起来求解多层膜光学常数和厚度的可行性和有效性.结果表明:基于两种算法的组合反演算法综合了这两种算法的优点,能以较大的概率、较高的精度找到在实际约束条件下多层膜的光学常数和厚度,特别是在寻找全局最优解方面表现出色.根据全光谱透射拟合法基本原理,应用组合反演算法分别在考虑测量误差与不考虑测量误差两种情况下反演 15 层规整高反膜的光学常数和厚度,得到了较为精确的薄膜参数.模拟实验表明:此组合反演算法可有效地求解多层膜反演问题,在反演多层膜光学常数和厚度方面具有实际的应用价值.     

规整膜系层厚允许误差的研究

提出了一种通过计算机模拟薄膜的淀积过程来计算规整膜系层厚允许误差的方法,所计算的层厚允许误差不仅取决于膜系的设计结构,还与薄膜的淀积工艺、镀膜设备的监控精度有关.实验结果表明:采用这种方法所计算出的层厚允许误差对于薄膜的实际镀制具有指导意义.     

高功率激光宽光谱减反膜的溶胶-凝胶旋转法制备工艺

 采用溶胶-凝胶法用旋转镀膜工艺在K9玻璃基片上制备出了SiO₂和有机硅单层减反膜以及有机硅-SiO₂双层减反膜。考察了旋转速度对SiO₂和有机硅单层膜的中心透射波长、膜层折射率等基本光学性质的影响，实验确定了双层膜的涂敷工艺。透射光谱测量表明，采用本文工艺条件制备的有机硅 SiO₂双层膜在430～800nm范围内透射率达99％以上。     

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。     

双波段宽带减反膜的研究

根据电视/红外双色制导的要求,研制了锗酸盐基底上的双波段宽带减反膜。其膜系设计采用二氧化钛和二氧化硅分别作为高、低折射率膜料的13层膜堆,镀制的膜层满足环境稳定性标准。在0.56~0.75μm波长范围内,双面镀膜后的平均透过率大于98%,单面平均剩余反射率不超过0.5%;在3.6~4.8μm波长范围内,双面镀膜后的平均透过率至少可达到85%,单面平均剩余反射率不超过1.5%。     

确定离子交换平面波导折射率分布的预测-校验法

提出一种基于反WKB法与分段线性插值的最小二乘拟合方法(即预测-校验方法)来确定离子交换玻璃波导的横向折射率分布,它将反WKB法与分段线性插值所计算出的结果作为近似值(预测),然后进行最小二乘拟合(校验),并与基于反WKB的分段线性插值方法进行比较.数值计算表明,这一算法能有效地重建渐变离子交换平面波导的横向折射率分布.     

Fabrication of broadband antireflection coatings using broadband optical monitoring mixed with time monitoring

Multi-layer optical coatings with complex spectrum requirements, such as multi-band pass filters, notch filters, and ultra-broadband antireflection coating, which usually contain very thin layers and sensitive layers, are difficult to be fabricated using a quartz crystal monitoring method or a single wavelength optical monitoring system(SWLOMS). In this paper, a broadband antireflection(AR) coating applied in the wavelength range from 800 nm to 1800 nm was designed and deposited by ion beam sputtering(IBS). Ta_2O_5 and Si O_2 were chosen as high and low refractive index coating materials,respectively. The optimized coating structure contains 9 non-quarter-wave(QW) layers totally with ultra-thin layers and sensitive layers in this coating stack. In order to obtain high transmittance, it is very important to realize the thickness accurate control on these thin layers and sensitive layers. A broadband optical monitoring mixed with time monitoring strategy was successfully used to control the layer thickness during the deposition process. At last, the measured transmittance of AR coating is quite close to the theoretical value. A 0.6% variation in short wavelength edge across the central 180 mm diameter is demonstrated. A spectrum shift of less than 0.5% for 2 continuous runs is also presented.     

光纤白光干涉法与膜厚纳米测量新技术研究

运用薄膜光学干涉原理、光纤技术和干涉光谱分析技术,用光纤反射式干涉光谱仪(Reflectromic Interference Spectroscopy)直接测试宽带入射光在单晶硅表面超薄SiO₂膜层前后界面反射形成的干涉光谱曲线,并用专业软件对被测光谱信号数据处理后,可直接用公式准确计算出SiO₂氧化膜的厚度和光学折射率通过对单晶硅片表面超薄SiO₂氧化膜的实测,并与成熟的椭圆偏振仪测试结果相比,测试误差≤2nm但该方法测试简单、快速,精度高,不需要制定仪器曲线和数表,可对薄膜任意位置的厚度在线测试经过对不同厚度聚苯乙烯薄膜的厚度测试表明,该方法适合0.5～20μm薄膜厚度的精确在线测量,测量误差小于7nm.     

光子嫩肤标准谱段滤光片的研制

研制一种在光子嫩肤仪中用于产生标准谱段的滤光片.采用石英作为基底,选择TiO2和SiO2作为高低折射率材料,采用needle优化方法压缩通带波纹,通过真空镀膜和离子辅助的技术,研制出了200 nm～550 nm平均透过率低于0.3%,570 nm～1 200 nm平均透过率高于95%的光子嫩肤用滤光片.在制备过程中,解...     

基于时间控厚离子束溅射技术的宽带减反膜制备

 为了制备满足设计要求的宽角度、宽波段减反膜,利用离子束溅射沉积技术,在时间-功率控厚的模式下,对膜层沉积速率进行了精确修正。在实验中,利用时间-功率控厚的离子束溅射沉积技术,选择HfO₂和SiO₂作为高低折射率组合,在超抛ZF6玻璃基底上制备了宽角度、宽带减反膜,通过对实验后的透过率光谱曲线的数值反演计算,获得膜层厚度修正系数,初步得到了沉积速率随沉积时间变化的规律。利用修正后的沉积参数制备设计的膜系,在0°~30°入射角度下,600~1 200 nm波段的平均透过率达到99%以上。     

太阳能分光发电系统的光学薄膜滤波片设计与仿真

由于不同材料的禁带宽度不同,对太阳光谱的吸收曲线也各不相同,探讨了用等效折射概念设计滤光片的原理和计算方法.针对非晶硅、单晶硅和砷化镓的吸收谱线设计了一组短波通滤光片,滤波片A在波长380～800nm处,平均透射率T＞90％;在波长880～1100 nm处截止,平均透射率T＜1％;滤波片B在380～500 nm处T＞9...     

纳米孔隙聚合物光学薄膜透过率谱线的数值计算

用时域有限差分（Finite Difference Time Domain－FDTD）算法模拟了光从真空垂直入射到表面覆盖有一层纳米孔隙聚合物薄膜的玻璃介质,得到了在不同波长下的纳米孔隙薄膜的透过率谱线.将FDTD模拟结果的透过率谱线与理论谱线相对照,估算出了该薄膜的等效折射率.我们分别模拟了孔隙率为5%、10%、15%、20%和30%的薄膜,得到了它们的透过率谱线,而且利用这些谱线得到了它们不同的等效折射率值.文末给出了只有两层薄膜构成的纳米孔隙宽带增透薄膜的结构,而且利用FDTD算法模拟了光经过这种增透膜入射到玻璃介质的过程,结果显示这种增透膜在可见光波长范围的透过率高达99.5%.     

特定折射率材料及光学薄膜制备

根据太阳电池阵激光防护膜性能优化的需要,应用离子辅助电子束双源共蒸工艺方法制备了优化设计所需的特定折射率的薄膜材料并用于制备激光防护膜。测试结果显示:用该工艺方法制备的掺杂材料薄膜的折射率n=1.75,与优化设计所需数值相符;激光防护膜性能优良,太阳辐射能透过率提高6%以上,实现了对该激光防护膜性能的进一步优化。为了使该双源共蒸方法适于大面积薄膜的制备,应用均匀性挡板技术来提高该方法制备大面积薄膜的膜厚均匀性,使制备的掺杂材料薄膜在口径为400 mm时的不均匀性小于2.1%。该双源共蒸方法制备工艺简单、可靠,适于实际工程应用。薄膜性能测试结果与理论优化结果相符,达到预期优化目标。     

Electrical conductivity and optical properties of ZnO nanostructured thin film

The electrical conductivity, structural and optical properties of ZnO nanostructured semiconductor thin film prepared by sol-gel spin coating method have been investigated. The X-ray diffraction result indicates that the ZnO film has the polycrystalline nature with average grain size of 28 nm. The optical transmittance spectrum indicates the average transmittance higher than 90% in visible region. The optical band gap, Urbach energy and optical constants (refractive index, extinction coefficient, real and imaginary parts of the dielectric constant) of the film were determined. The electrical conductivity of the film dependence of temperature was measured to identify the dominant conductivity mechanism. The conductivity mechanism of the film is the thermally activated band conduction. The electrical conductivity and optical results revealed that the ZnO film is an n-type nanostructured semiconductor with a direct band gap of about 3.30 eV at room temperature.     

提拉法SiO_2化学膜厚度与折射率的变化规律研究

采用提拉法在硅基底上制备了多孔溶胶凝胶SiO2膜,用椭偏法测量薄膜的厚度与折射率,考察了提拉速度和胶体浓度对膜层厚度与折射率的影响。对厚度与提拉速度的关系进行线性与幂函数拟合,并比较分析两种拟合的关系及其对工艺流程的作用。比较了不同浓度胶体所得到的同一厚度薄膜的折射率变化规律。结果表明:对于同一胶体浓度下薄膜厚度与提拉速度的正相关关系,线性拟合相比幂函数拟合可以更好地解释实验结果的规律性。同时,折射率在一定范围内也会随着提拉速度的增加而减小。镀同一厚度膜时,浓度大的胶体膜层折射率大。通过对提拉速度和胶体浓度的控制可以得到理想的薄膜厚度与折射率。