介质薄膜折射率和厚度的同时测定

椭圆仪在测量介质薄膜和研究表面方面得到了广泛的应用.其主要优点是精度较高,而且是一种非破坏性测量.目前使用椭圆仪时,一般都是给定介质薄膜的折射率,再由椭圆仪的测量值来计算出膜的厚度.但在实际情况中,介质薄膜的折射率往往也是一个待测的参数.所以,如何用椭圆仪来同时测定介质薄膜的折射率和厚度,是一个很有实际意义的问题. 一、原 理 椭圆仪的工作原理和在已知薄膜折射率的情况下如何测定薄膜的厚度,在一些文章中已有介绍,本文着重讨论如何同时测定薄膜的折射率和厚度(见图1). 用椭圆仪来测定薄膜的厚度时,如果已知薄膜的折射率,那…     

基于Au/ITO纳米复合材料的自参照SPR传感器

利用Au/ITO纳米复合材料设计了一种自参照表面等离子体共振传感器.该传感器产生的光谱有两个共振峰,即共振峰1和共振峰2.共振峰1随着待测介质折射率和入射角的变化产生漂移,而共振峰2仅随入射角的变化产生漂移,两个共振峰相互参照,降低了入射角偏移对测量结果的影响,提高了测量的准确性.在纳米复合材料的4种不同体积分数下,仿真分析了入射角、待测介质折射率和薄膜厚度变化对两个共振波长的影响.在入射角θ为80°,且金的体积分数f为0.65,薄膜厚度d为40nm和45nm,或金的体积分数f为0.85,薄膜厚度d为45nm和50nm时,共振峰2不随待测介质折射率的变化而变化,只有共振峰1随待测介质折射率的变化而变化,达到自参照传感器的理想状态.     

基于双电介质层的棱镜表面等离子共振传感的研究

为了提高表面等离子共振系统的分辨率,提出了一种五层结构的表面等离子共振效应的激励模型:棱镜基底-银膜-电介质层1-电介质层2-待测介质.采用薄膜光学和波导理论,讨论了银和双电介质层复合而成的共振薄膜对表面等离子共振效应的激励机理与调制特性的作用.借助有限元分析方法,数值模拟得到双电介质表面等离子共振激励模型的共振光谱.分析结果表明,当待测介质折射率相同时,双电介质表面等离子共振激励模型共振光谱的半峰宽约为传统棱镜表面等离子体共振的0.1倍,理论计算得到双电介质表面等离子共振激励模型的系统分辨率相较于传统棱镜表面提高了5.4倍.以乙二醇溶液为待测样本,分析得到传感器的灵敏度约为7.2°/RIU,品质因数约为465,证明了该结构设计的可行性,为设计高分辨率和高品质因数的传感系统提供了理论参考.     

基于辅助电介质层的棱镜表面等离子体共振效应研究

研究了一种基于棱镜基底-辅助电介质层-金膜-待测介质四层结构的表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)效应激励模型.采用薄膜光学与波导理论,探索了由辅助电介质层与金膜复合而成共振薄膜对SPR效应的激励机理与调制特性.借助时域有限差分方法,数值模拟得到辅助电介质层属性与共振能量传输特性关系.在此基础上,构建了波长调制型棱镜辅助电介质层结构SPR激励系统.研究结果表明,当待测介质折射率相同时,相较基于棱镜基底-金膜-待测介质三层结构的Kretschmann激励模型,辅助电介质层激励模型共振光谱整体向长波方向偏移且半波宽度出现显著展宽效应.而当待测介质折射率增大时,辅助电介质层型激励模型的共振光谱不仅会向长波方向偏移,而且折射率响应灵敏度比棱镜Kretschmann三层激励模型高出75%.因此该模型能够为诸如高灵敏度检测、新型光学滤波与调制器件设计等领域的研究应用提供理论与实践储备.     

渐变折射率薄膜的分层评价探讨

首先阐述了将渐变折射率薄膜细分为多层均匀薄膜的分层介质理论,接着给出了一种获得最佳分层数目的分层评价方法,最后以线性变化渐变折射率薄膜为例说明了如何优化获得渐变折射率薄膜的分层数目.研究发现：渐变折射率薄膜的分层数目与薄膜的厚度和薄膜的折射率变化快慢有关,在一定的折射率变化范围内,渐变折射率薄膜的分层数目随着薄膜厚度的增加先减小后增大. 关键词： 渐变折射率 分层介质理论 分层评价     

由光栅常数测量液体及固体的折射率

介绍由透射光栅分出来的一级衍射光用于测量固体或液体折射率的方法,该法只要测出一级衍射光透过特测介质的后的位置读数,由已知的光栅常数就可计算待测介质的折射率。     

SPR快速角度调制系统

利用表面等离子体共振原理设计了测量待测物体的折射率的方法.通过快速控制反射镜的角度控制入射光的转动,光源照射在反射镜之后,由双透镜直接将光束聚焦至柱棱镜中心,实现入射光的旋转.在接收反射光时,使用光敏面足够大的光电转换器件,可以实现探测器在一次测量中固定不动,使系统得以简化.根据仿真结果可知,在折射率为1～1.33的范围内,共振角与待测物体折射率近似成线性关系,实际测量空气和水的共振角分别为39.8°和58.4°,据此可以近似确定该共振角范围内所有待测物质的折射率.     

费米折射率平面波导激励的差分检测型对称结构表面等离子共振传感研究

为了实现被测折射率范围可调,提高检测灵敏度,将双波长差分检测技术应用于平面波导激励的金属-介质-金属组成的对称型表面等离子体共振传感结构中.通过对对称结构的模式特性分析,研究了该结构中激发等离子体表面波时,介质厚度与被测折射率的关系及双波长差分检测的原理.采用离子交换法制备平面波导,用费米函数拟合其渐变折射率分布.用光强调制方式,分别进行单波长和双波长差分检测,对折射率为1.33~1.428之间的甘油溶液进行测试,实验结果表明,该结构可激发等离子体表面波,与传统平面波导激励的表面等离子体共振传感结构相比,通过改变被测介质的厚度可以改变共振条件,进而改变折射率的测量范围.若被测范围选择合适,检测的线性较好,采用差分检测方法比单波长检测方法的灵敏度提高近一倍.     

迈克耳孙干涉仪测量介质板折射率的问题研究

使用迈克耳孙干涉仪测量较厚介质板的折射率时,发现迈克耳孙干涉仪中放入待测介质板后,反射镜M1的调节方向异常.针对这一实验现象,从理论上进行分析,解释了实验中出现的异常现象,并推导出反射镜M1在两次观测中移动的距离与介质板折射率的关系式.实验结果进一步证明理论与公式的正确性.     

金属-介质-金属多层结构可调谐Fabry-Perot共振及高灵敏折射率传感

顶层透光、底层不透光的金属-介质-金属多层结构可以产生窄带完美吸收共振,用于测量介质层待测液体的折射率变化.本文通过构建Fabry-Perot共振解析模型,准确复现了该结构的响应光谱,给出了其共振波长、品质因子、半高全宽和灵敏度的解析表达式,并分析了介质层厚度对光谱的谐振波长和线宽的调谐机制,明确了其物理机理.基于8阶Fabry-Perot共振的金属-介质-金属多层结构,用于折射率传感时的品质因子及优值分别达到2162.8和1648.1 RIU–1.针对极小的折射率扰动,通过在奇异点状态叠加Fabry-Perot共振的调谐机制,提出了通过测量奇异点波长处反射系数的增加量或散射矩阵本征值的分裂量,实现对待测液体折射率的可调谐式传感的方案. Fabry-Perot模型解析结果显示,当待测液体的折射率变化为10–4 RIU时,基于8阶FabryPerot共振的金属-介质-金属多层结构的前向反射系数增加量和本征值分裂量分别达到0.319和1.1279.     

基于多孔硅的表面等离子共振传感特性

提出了一种基于多孔硅的表面等离子共振传感模型:棱镜-金属膜-多孔硅薄膜-待测介质。在该结构中,多孔硅的折射率会随着样品浓度的变化而变化。利用有限元分析方法,数值模拟得到该结构的共振光谱,对模型进行了分析和参数优化。以乙二醇溶液为待测样本,对提出的传感结构的传感性能进行分析,得到该传感器对乙二醇的传感灵敏度约为267.85(°)/RIU,约为Kretschmann棱镜结构灵敏度的2.13倍。     

利用泄漏波导测量低折射率薄膜的折射率和厚度

根据泄漏波导原理对K_9玻璃基板上的冰晶石薄膜进行折射率测量,达到的精度为1×10~(-4),与真实波导的情况相似。文中讨论了利用添加高折射率薄层减小待测薄膜的最小厚度的可能性。文中还利用光电方法观察反射光中暗条纹的方法判别波导的激发,并测出了冰晶石薄膜在4500到6500范围内的折射率。     

用液芯柱透镜测量液体折射率

制作了一种液芯变焦柱透镜并将其用于精确测量液体的折射率.在空心的柱透镜内注入待测折射率的液体,通过测量液芯透镜的焦距,根据焦距和折射率之间的关系,计算出液芯介质的折射率.此方法有效地提高了折射率测量的灵敏度,减小了测量系统的景深.选取×20倍显微物镜可实现液体折射率1.3～1.642范围内的精确测量,单次测量误差小于0.000 2.     

基于Mach-Zehnder干涉仪的光纤气体传感器理论

提出了一种基于马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪的光纤气体传感器。由于Mach-Zehnder干涉仪具有抑制光源噪声和模式噪声的特点,在高精度测量中越来越受到重视。在干涉仪的传感臂上涂有对待测气体敏感的薄膜,由于气体与敏感层的作用,导致光纤纤芯折射率发生变化,两臂的相位差发生变化,并引起干涉仪输出光强的变化和干涉条纹的平移,平移量与气体浓度对应。根据杨氏双缝干涉的理论,利用MATLAB对该研究进行计算机仿真,绘制出单色光的杨氏干涉图样和光强分布曲线,及气室中通入一定浓度的待测气体使干涉图样产生平移。     

泄漏辐射模显微镜测量薄膜的局域双折射率

介质双折射率的传统测量方法有偏振光椭圆率测量仪和光学相干断层扫描等.提出一种新型的介质双折射率测量方法--切向偏振光照明的泄漏辐射模显微镜激励波导模共振,通过对物镜后焦面的傅里叶光谱信息进行成像,测量介质的双折射率.分析了利用切向偏振光照明的泄漏辐射模显微镜测量介质双折射率的原理并测量了双折射率差为△n≈0.005的偶...     

工字形太赫兹超材料吸波体的传感特性研究

利用超材料吸波体对材料参数的电磁响应, 可将其应用于传感. 本文设计了一种工字形单元结构的超材料吸波体, 基于频域算法对其在太赫兹频段的传感特性进行数值模拟, 研究了待测样品折射率、厚度及电介质隔层厚度对超材料吸波体传感器的频率灵敏度、振幅灵敏度及品质因数的影响. 研究结果表明:当待测样品厚度为40 μm时, 折射率频率灵敏度可达到153.17 GHz/RIU, 折射率振幅灵敏度可达到41.37%/RIU; 待测样品折射率一定时, 厚度频率灵敏度随其厚度的增大而线性减小; 随着待测样品厚度的增加, RFOM呈增大趋势, 但增大幅度在逐渐减小; TFOM随待测样品厚度的增加而减小.     

用毛细管焦点法精确测量微量液体的折射率

介绍了用毛细管焦点法精确测最微量液体折射率的一种新技术.该技术基于共轴球面光学系统的成像原理,用LED(λ=580 nm,FWHM为32nm)为测量光源,用CCD为像接收装置.一次测量样品需要量小于0.002 mL.待测样品封闭在毛细管内测量,有利于对毒性、挥发性和吸湿性强的液体介质折射率的测量.用此技术对纯水、乙醇、乙二醇和丙三醇样品的折射率做了测量,测量精度分别为0.0001,0.0002,0.0003和0.0003.论文在分析实验装置的测量灵敏度和成像景深基础上,提出了进一步提高测最精度的方法.     

薄膜折射率的测定

一、实验简介在普物光学实验中,目前尚未有测量布儒斯特角的理想实验.本文介绍一种测量非吸收薄膜的布儒斯特角的方法,并由此求出该薄膜的折射率. 用平行度较好的玻璃板(如除去药膜的光谱板)作为基片,将待测的非吸收薄膜涂镀在基片的B面上(如图1),中间留一条宽约3mm不镀膜的空隙CD.     

基于倏逝波谐振的空气栅光子晶体F-P腔折射率传感特性研究

基于倏逝波理论和光学谐振原理,研究了倏逝波在光子晶体中的存在形式及空气栅光子晶体F-P腔的折射率传感机理,并建立谐振波长与待测气体折射率的关系模型。当入射光以大于全反射临界角的角度入射到光子晶体中,由于倏逝波的作用,在中心介质层形成F-P腔并产生谐振,电磁场被局部增强,与待测气体充分作用,从而使该传感结构对待测气体的折射率具有较高的敏感性。利用传输矩阵理论进行数值模拟,结果表明,折射率传感的Q值可达3447.0,灵敏度可达1260.0 nm/RIU,证明该光子晶体F-P腔折射率传感结构具有很好的传感特性,可为高精度气体折射率传感器的设计与应用提供一定的理论参考。     

利用迈克尔逊干涉仪测量液体的折射率

在迈克尔逊干涉仪的实验光路中加入可移动的三角形容器,将待测液体介质装入容器中,通过移动三角形容器即可改变光束在介质中的光程,光程差的改变量与三角形容器插入光路中厚度成正相关,通过计算可以得到折射率的表达式,用最小二乘法拟合测量数据,计算斜率,代入表达式即可求得液体的折射率。