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.     

基于FFT的薄膜厚度干涉测量新方法

在研究二维FFT法进行干涉测试基本原理的基础上,提出一种基于二维FFT的薄膜厚度测量新方法。利用搭建的泰曼-格林型干涉系统,用CCD接收、采集卡采集,可获得被测膜层的干涉条纹图像。编制算法处理软件,可实现对干涉条纹图中薄膜边缘识别、区域延拓、滤波、波面统一等的处理,从而获得带有薄膜信息的面形分布,实现对薄膜样片厚度的自动化测量。研究结果表明：所测薄膜厚度的峰谷值为0．2562,均方根值为0．068λ,说明采用基于FFT的薄膜厚度干涉测量新方法测量薄膜厚度具有较高的精度。     

干涉条纹图像处理的相位解包新方法

干涉图的处理是光干涉计量中的关键技术.采用泰曼一格林型干涉系统,建立被测物与干涉相位之间的数学模型,通过MATLAB软件,实现对被测参数的自动化测量.基于二维快速傅里叶方法的基本原理,提出一种新的相位解包算法--菱形种子算法,通过识别1个种子点,然后依次向相邻4点扩展,再把这4个点作为第二批种子点,依次向各自的4点邻域扩展,以菱形轨迹遍历所有的有效信息点,以到达整幅图像相位解包的目的.采用该算法测量薄膜样片的厚度,测试结果与ZYGO测试结果比较,PV误差为0.036 4λ,RMS最大误差为0.003λ,证明该算法虽然处理的是单幅干涉图,但可以得到高精度的相位分布.     

基于激光外差干涉术的薄膜厚度测量方法

针对光学薄膜厚度测量困难问题，提出了一种基于激光外差干涉术的薄膜厚度测量方法。采用经典迈克尔逊干涉光路，利用外差干涉原理将薄膜厚度差转换为光程差，以精密位移平台为扫描机构实现薄膜厚度的逐行扫描测量。测量系统在恒温实验条件下20 min内的漂移不超过8 nm，测量结果平均差小于1 nm，通过与椭圆偏振仪的测量结果比较，测量差值为12.97 nm，表明了该方法的可行性。     

利用光学方法测量薄膜厚度的研究

介绍了测量固体薄膜厚度的光学方法。分析了这些方法的光学原理,对所使用的光源、测量范围、测量精度、实现的难度以及方法所适用的场合等多种因素进行了比较分析,结果表明:对于厚度在10～100μm范围的固体薄膜而言,激光干涉法是一种简单、易于实现且测量精度较高的方法。     

基于白光干涉的光学薄膜物理厚度测量方法

设计了一套利用白光干涉理论测量薄膜厚度的系统,主要包括迈克耳孙白光于涉系统和光纤光谱仪.对干涉信号进行频域分析,结合拟合测试与理论能量曲线的方法并选择合适的目标函数,进一步精确反演得到待测薄膜样品的物理厚度,使用上述方法对多组不同厚度的薄膜样品进行计算,并对结果进行了详细的精度及误差分析.将本实验装置测试所得到的数据与传统的光度法相比较,结果表明使用该测试方法测量光学薄膜物理厚度的误差可以小于1 nm.与传统的光度法和椭偏法相比,提供了一种测量光学薄膜厚度的较为简单、快速的解决方案,同时保证了较高的精度.     

基于白光干涉测量色散补偿薄膜的群延迟色散

为精确测量超快激光色散补偿薄膜的群延迟色散,提出了一种基于窗口傅里叶变换和样条插值去噪算法的新型白光干涉测量方案。计算机模拟表明此方法测试精度可达0.58fs2。分析了高斯噪声和光强平均效应对测试精度的影响,并使用此方法对实验制备的Gires-Tournois干涉反射镜和啁啾镜进行了测试,在宽光谱范围内测试误差小于10fs2。该方法相比其他算法可以更快速、更精确地实现薄膜相位信息的提取,具有更高的测试精度和实用性。     

基于X射线掠射法的纳米薄膜厚度计量与量值溯源研究

为了实现纳米薄膜厚度的高精度计量,研制了可供台阶仪、扫描探针显微镜等接触测量的纳米薄膜样片,研究了X射线掠射法测量该纳米薄膜样片厚度的基本原理和计算方法,导出了基于Kiessig厚度干涉条纹计算膜层厚度的线性拟合公式,并提出了一种可溯源至单晶硅原子晶格间距和角度计量标准的纳米膜厚量值溯源方法,同时给出了相应的不确定度评定方法.实验证明:该纳米薄膜厚度H测量相对扩展不确定度达到U=0.3 nm+1.5%H,包含因子k=2.从而建立了一套纳米薄膜厚度计量方法和溯源体系.     

迈克尔逊干涉测薄膜厚度

在利用迈克尔逊干涉测量薄膜厚度的实验装置中加入了压力传感器。该设计光路可以在无需已知薄膜透射率、折射率等物理参数的情况下,测得薄膜厚度,而且基本消除了外界挤压对薄膜厚度造成的误差影响。     

用迈克尔逊干涉仪测量单层薄膜的厚度和折射率

薄膜厚度的测量是薄膜科学的重要分支之一，本文讨论用迈克尔逊干涉仪观察白光等厚彩色干涉条纹方法，从而确定薄膜的厚度和折射率，该方法的优点是测量精度高，原理简单，在一次测量过程中可同时确定薄膜的厚度和折射率。     

一种监控膜厚的新算法

光学薄膜的光学特性与其每一膜层的厚度密切相关,为了制备出符合要求的光学薄膜产品,在制备过程中必须监控膜厚。光学薄膜实时监控精度决定了所镀制的光学薄膜的厚度精度。针对光电极值法极值点附近监控精度低、无法精确监控非规整膜系的缺陷,提出了新的光学薄膜膜厚监控算法。该算法通过数学运算,使得光学薄膜的光学厚度与透射率呈线性关系,并且有效地消除光源波动、传输噪声等共模干扰的影响,算法精度可控制在2%以内。     

用迈克尔逊干涉仪测量全息干板膜厚度

全息干板膜的厚度是全息干板的重要参数之一。使用迈克尔逊干涉仪和白光光源对2种全息干板膜厚度进行测量，并对测量结果误差进行分析，给出了测量误差与膜厚及折射率之间的关系以及此方法的适用范围。研究结果表明：在膜厚从8μm增至41μm的过程中，测量结果的绝对误差≤2μm且变化很小，相对误差则从14.1%降到了2.2%。随着膜厚的增加，相对误差明显降低；折射率n也参与了误差传递，其值与测量误差呈类似反比关系；当n值在1.5附近时，为保证测量的准确性，所测膜厚≥40μm。最后指出，迈克尔逊干涉仪在测量全息干板膜等较厚的薄膜时，具有测量范围大，结果较准确等优点。     

金属薄膜亚波长近场成像特性研究

采用基于等离子体物理模型的时域有限差分方法模拟了金属薄膜近场成像特性;采用薄膜传输矩阵方法计算了金属薄膜对倏逝波分量的放大作用.实现了周期为1μm的Cr光栅的成像实验,验证了平板金属薄膜的模拟成像特性. 关键词： 时域有限差分 金属薄膜 近场亚波长成像 传输矩阵方法     

Research status in thin-film crystalline Si solar cells

Recent research status and future subjects for the development of thin-film crystalline Si solar cells were reviewed. Optimum design of cell configuration and polycrystalline silicon growth by atmospheric pressure chemical vapor deposition (APCVD) were demonstrated. In order to configure high efficiency thin-film poly-Si solar cells, a novel method of quasi-three-dimensional simulation using a cylindrical coordinate system was carried out. Interface recombination velocity at grain boundaries should be less than 10³ cm/s based on the simulation results. Even at a relatively short diffusion length of L_n=50 μm, high efficiency larger than 16% will be expected at a thickness of 5–20 μm. Poly-Si films with columnar structures whose diameter was around 5 μm were successfully deposited on foreign substrates with APCVD at a high growth rate of 0.8 μm/min. Up-to-date status of reported cell performances were discussed in addition to future prospects.     

纳米表面二维周期半圆凹槽增强硅薄膜太阳能电池光吸收

利用时域有限差分方法, 研究硅薄膜上下表面周期半圆凹槽结构对于太阳光吸收的增强效应. 研究发现这种结构可以实现太阳光宽波段的光吸收增强, 通过调节SiO₂表面减反层厚度和凹槽半径长度来实现薄膜太阳能电池最大的光吸收, 并实现了波长在300-1000 nm范围的太阳光吸收总能量比没有这种 结构下硅薄膜光吸收提高了约117%. 关键词： 硅薄膜 半圆凹槽 吸收增强     

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。     

一种基于荧光信号的海面厚油膜评估方法

油膜厚度是海面溢油污染评估分析的一个重要指标,激光诱导荧光(LIF)技术是目前最有效的海面溢油探测技术之一,基于LIF探测技术的油膜厚度反演算法当下仅有适用于薄油膜(≤10~20 μm)的评估方法,而对于较厚油膜(>20 μm)的评估目前尚无有效的反演算法。鉴于此,提出一种基于LIF技术适用于较厚油膜的反演算法,该算法采用油膜荧光信号反演油膜厚度,推导了油膜厚度反演公式,并给出了基于该反演算法的油膜厚度评估方法。首先采用最大类间方差算法(Otsu)选取合适的荧光光谱波段,然后根据选取波段内每个波长的光谱数据反演油膜厚度,最后采用反演油膜厚度的平均值作为油膜厚度评估结果。研究了该算法的适用范围,给出了该算法有效评估范围最大值与测量相对误差的关系,并结合消光系数给出了在多种测量误差条件下不同消光系数油品有效评估范围的最大值。通过实验对本文方法进行了验证,选用原油和白油的混合油(1∶50)作为实验油品,以波长为405 nm的激光作为激发光源,采集波长范围为420～750 nm,采集了海水背景荧光和拉曼散射光光谱、实验油品的荧光特征光谱和多种不同厚度的较厚油膜的荧光光谱。采用Otsu算法选取420～476 nm波段评估油膜厚度,在实验油品油膜厚度≤800 μm时,该算法对油膜厚度的评估具有较高的精度,平均误差为10.5%;在油膜厚度>800 μm时,平均误差为28.8%,评估误差较大且随油膜厚度的增加快速变大,该实验结果与利用测量相对误差和消光系数的分析结果一致。实验结果表明,该方法可以实现对海面较厚油膜厚度的有效评估,并可以根据测量相对误差和消光系数判断评估结果的有效性。     

A dynamic rheological model for thin-film lubrication

In this study, the effects of the non-Newtonian rheological properties of the lubricant in a thin-film lubrication regime between smooth surfaces were investigated. The thin-film lubrication regime typically appears in Stribeck curves with a clearly observable minimum coefficient of friction (COF) and a low-COF region, which is desired for its lower energy dissipation. A dynamic rheology of the lubricant from the hydrodynamic lubrication regime to the thin-film lubrication regime was proposed based on the convected Maxwell constitutive equation. This rheology model includes the increased relaxation time and the yield stress of the confined lubricant thin film, as well as their dependences on the lubricant film thickness. The Deborah number (De number) was adopted to describe the liquid-solid transition of the confined lubricant thin film under shearing. Then a series of Stribeck curves were calculated based on Tichy's extended lubrication equations with a perturbation of the De number. The results show that the minimum COF points in the Stribeck curve correspond to a critical De number of 1.0, indicating a liquid-to-solid transition of the confined lubricant film. Furthermore, the two proposed parameters in the dynamic rheological model, namely negative slipping length b (indicating the lubricant interfacial effect) and the characteristic relaxation time λ 0 , were found to determine the minimum COF and the width of the low-COF region, both of which were required to optimize the shape of the Stribeck curve. The developed dynamic rheological model interprets the correlation between the rheological and interfacial properties of lubricant and its lubrication behavior in the thin-film regime.     

Highly crystallized sputtered silicon with textured morphology for thin-film solar cells

A light-trapping structure with textured morphology for thin-film solar cell is demonstrated in this paper. It is fabricated through Al evaporation, and has a root-mean-roughness (Rms) of about 120 nm and lateral width of about 1 μm for single bulge. A Mo layer is introduced to be a barrier layer. Subsequently sputtered amorphous silicon film is 100% crystallized by Cu induced crystallization. Reflectivity of samples with different silicon thickness is studied to reveal the light-trapping efficiency and the reflectivity as low as 10% is obtained with only 840 nm thick silicon film. This is a low-cost structure promising for future thin-film solar cells with high efficiency.     

关于镀有LB膜长周期光纤光栅的谐振波长的研究

理论上详细分析了长周期光纤光栅谐振波长随外界环境折射率变化而变化的光谱特性，分析结果可较好地解释镀有LB膜(Langmuir-Blodgett thin-film)的长周期光纤光栅的谐振波长与膜厚之间的关系。分析研究表明．通过减小纤芯直径和改变芯与包层折射率差等方法可调整光纤光栅的谐振波长，使其从一般光纤光栅谐振波长所处的近红外区转到可见光区，以利于光纤光栅配套仪器系统的调试并使系统成本降低，从而为长周期光纤光栅传感技术的发展和应用奠定基础。