基于譜域干涉儀的折射率和厚度同步測量方法與系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及譜域干涉(Spectral interferometry)技術(shù)，尤其涉及一種基于譜域干涉儀的折射率和厚度同步測量方法與系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]折射率是表征材料光學(xué)特性的重要參量，對于光學(xué)設(shè)計、光波傳播等科研和工業(yè)領(lǐng)域都有著廣泛的影響。折射率與材料本身的微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)，并隨外界參量如溫度、電磁場、壓力等的變化而變化，從而產(chǎn)生一系列的光學(xué)現(xiàn)象，如光的色散效應(yīng)、克爾效應(yīng)、法拉第效應(yīng)、光彈效應(yīng)等。因此精確測量材料的折射率以及折射率隨外界參量變化的函數(shù)關(guān)系具有重要意義。
[0003]目前，測量透明樣品厚度與折射率有多種方法，大部分是基于低相干邁克爾遜干涉儀的技術(shù)。低相干光源的譜域干涉技術(shù)在用于分析光學(xué)系統(tǒng)中近光學(xué)表面的反射特性所取得的效果引起了極大的關(guān)注，當該技術(shù)被應(yīng)用于光學(xué)工程，生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域時獲得了一系列重大的突破，如D.Huangl991年提出了光學(xué)層析相干技術(shù)(optical coherencetomography，OCT) 1-4，該技術(shù)于1995年被G.J.Teamey用于測量高散射人體組織的折射率，A.B.Vakhtin2003年提出的頻域共路OCT技術(shù)，X.Liu 2008年提出的傅里葉域光纖OCT技術(shù)等。與此同時，相關(guān)技術(shù)也被用于同步測量透明樣品的幾何厚度和折射率。W.V.Sorinl992年提出的利用光學(xué)低相干反射技術(shù)同步測量樣品幾何厚度與折射率，J.Na2009年提出的采用自參照光譜干涉法測量幾何厚度與折射率，P.Hlubina 2001年提出了無補償邁克遜干涉儀白光光譜干涉法測量石英玻璃中的折射率的發(fā)散情況，G.D.Gillen2005年提出的使用邁克爾遜、法布里-珀羅(FP)分別獨立測量晶片幾何厚度和折射率，P.H.Tomlins2008年提出的光學(xué)相干折射技術(shù)，S.Kim2008年提出的采用共路低相干技術(shù)同步測量樣品厚度與折射率等。OCT技術(shù)最初采用雙臂邁克爾遜干涉技術(shù)，后來發(fā)現(xiàn)共路干涉技術(shù)更緊湊、更穩(wěn)定3，4。比如使用邁克爾遜、法布里-珀羅(FP)集成技術(shù)8，改進型OCT技術(shù)9，共焦低相干技術(shù)等10。
[0004]以上提到的各項現(xiàn)有技術(shù)都有各自的適用范圍，也都存在一定的局限性。具體說來，白光光譜干涉技術(shù)需要對邁克爾遜干涉儀的參考鏡進行精確移動7 ;基于法布里-珀羅干涉技術(shù)和改進型OCT技術(shù)，需要精確控制樣品本身的旋轉(zhuǎn)角度8，9 ;這種精確移動本身很難達到較高精度，導(dǎo)致存在較大的系統(tǒng)誤差。雙臂白光邁克爾遜干涉儀不需對系統(tǒng)部件和樣品進行移動5，6，但需要將被測樣品緊貼著參考鏡放置，導(dǎo)致難以將被測樣品放入用來改變外部參數(shù)(溫度、壓力等)的設(shè)備中。并且以上現(xiàn)有技術(shù)都需要對放置和不放置樣品兩種狀態(tài)進行兩次測量才能夠測量出被測樣品的幾何厚度和折射率信息；這種兩次測量的模式，勢必會由于外界環(huán)境的不一致，導(dǎo)致測量誤差增大；并且這種兩次測量的模式，工作效率較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供基于譜域干涉儀的折射率和厚度同步測量方法與系統(tǒng)，其通過對被測樣品一次測量即可同時得到被測樣品的折射率和厚度信息。
[0006]該系統(tǒng)采用譜域低相干干涉技術(shù)，兩束光平行的在同一樣品臂中傳播，只有其中一束光透過被測樣品。被測樣品作為一個低精細度巧妙的FP標準具提供了非常重要的補償信息。該系統(tǒng)裝置緊湊，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不需要移動任何部分，一次即可完成測量。在不影響放置能調(diào)節(jié)外部溫度場與熱膨脹系數(shù)的溫控設(shè)備的條件下該被測樣品能被放置在光路中的任何位置。
[0007]具體內(nèi)容如下:
[0008]本發(fā)明一種基于譜域干涉儀的折射率和厚度同步測量系統(tǒng)，包括寬帶光源、光纖環(huán)行器、樣品臂、光譜儀和計算機，其中，樣品臂包括第一光纖準直鏡、被測樣品、第一聚焦透鏡和平面鏡，光譜儀包括第二光纖準直鏡，衍射光柵、第二聚焦透鏡和探測器CCD。進入樣品臂的探測光束一部分透過被測樣品被收集和分析，另一部分光束不透過被測樣品被收集和分析，探測器CCD探測從樣品前、后表面反射回來的的光信號、從平面鏡反射回來的經(jīng)過以及不經(jīng)過樣品的光信號。
[0009]所述寬帶光源與光纖環(huán)形器的第一端口相連，光纖環(huán)形器的第二端口與樣品臂中的第一光纖準直鏡相連接；樣品臂中的第一光纖準直鏡和第一聚焦透鏡放置在平面鏡的前偵U，被測樣品放置在第一光纖準直鏡與第一聚焦透鏡之間，且只允許一部分的光束透過被測樣品；光纖環(huán)形器的第三端口與光譜儀連接，分別經(jīng)過第二光纖準直鏡，衍射光柵、第二聚焦透鏡，對準探測器CCD，光譜儀中的探測器CCD與計算機連接，計算機進行數(shù)據(jù)處理。
[0010]寬帶光源發(fā)出的光進入光纖環(huán)形器的第一端口，經(jīng)光纖環(huán)行器第二端口進入樣品臂，光束經(jīng)第一光纖準直鏡擴散成寬光束，其中一部分光透過被測樣品投射到第一聚焦透鏡上，經(jīng)第一聚焦透鏡聚焦到平面鏡上，經(jīng)平面鏡反射的和經(jīng)被測樣品前、后表面反射的光束沿原路返回至光纖環(huán)行器第二端口，并從光纖環(huán)行器第三端口導(dǎo)入光譜儀；進入樣品臂的另一部分沒有透過被測樣品光束經(jīng)第一光纖準直鏡擴束后經(jīng)第一聚焦透鏡聚焦在平面鏡上，經(jīng)平面鏡反射后沿原路返回至光纖環(huán)行器第二端口，并從光纖環(huán)行器第三端口導(dǎo)入光譜儀；此時，從被測樣品前、后表面返回的兩光束發(fā)生干涉，產(chǎn)生一組干涉信號，以及從平面鏡反射回的、經(jīng)過被測樣品與不經(jīng)過被測樣品的光束發(fā)生干涉，產(chǎn)生另一組干涉信號。以上兩組干涉信號包含被測樣品厚度與折射率的信息，兩組干涉信號被探測器CCD探測到后傳入計算機通過傅里葉變換等數(shù)據(jù)處理同時得到被測樣品厚度與折射率的信息。
[0011]—種譜域干涉儀的折射率和厚度同步測量方法，具體包括以下步驟:
[0012]I).搭建一個僅具有樣品臂的譜域干涉儀，在樣品臂中的第一光纖準直鏡與第一聚焦透鏡之間放置被測樣品，且被測樣品的位置保證從第一光纖準直鏡出射的光束一部分照射在被測樣品上，另一部分不經(jīng)被測樣品直接傳向第一聚焦透鏡。
[0013]2).寬帶光源出射后經(jīng)光纖環(huán)行器打入樣品臂，光束經(jīng)第一聚焦透鏡擴束，其中一部分光透過被測樣品、第一聚焦透鏡聚焦到平面鏡上，經(jīng)平面鏡反射的和經(jīng)被測樣品前、后表面反射的光束沿原路返回至光纖環(huán)行器第二端口 ；另一部分光經(jīng)第一聚焦透鏡聚焦到平面鏡上，經(jīng)平面鏡反射后光束沿原路返回至光纖環(huán)行器第二端口。
[0014]返回到光纖環(huán)形器第二端口的光束兩兩分別產(chǎn)生干涉，形成干涉信號，其一，從被測樣品前、后表面返回的兩光束發(fā)生干涉，產(chǎn)生一組干涉信號；其二，從平面鏡反射回的經(jīng)過被測樣品與從平面鏡反射回的不經(jīng)過被測樣品的光束發(fā)生干涉，產(chǎn)生另一組干涉信號。
[0015]3).由于以上兩組干涉信號包含被測樣品厚度與折射率的信息，該兩組干涉信號經(jīng)光纖環(huán)形器的第三端口導(dǎo)入光譜儀，干涉信號被探測器CCD探測到后通過數(shù)據(jù)線傳入計算機，通過傅里葉變換等數(shù)據(jù)處理后就能同時得到被測樣品的厚度與折射率信息。
[0016]通過對探測到的兩組干涉信號進行傅里葉變化后，能得出兩組光程差，即從被測樣品前、后表面返回的兩光束發(fā)生干涉產(chǎn)生的光程差A(yù) 1，從平面鏡反射回的經(jīng)過被測樣品與從平面鏡反射回的不經(jīng)過被測樣品的光束發(fā)生干涉產(chǎn)生的光程差A(yù) 2，設(shè)被測樣品的折射率為n，被測樣品的厚度為d，空氣的折射率為1，根據(jù)光的傳播理論，易得:
[0017]Δ I = 2nd.........(I)
[0018]A2 = 2d(n_l)...(2)
[0019]聯(lián)立上述方程組，求解得出被測樣品厚度與折射率的值。上述方法能一次同時的測得被測樣品折射率和厚度的信息，通過數(shù)據(jù)處理同時得到被測樣品厚度與折射率的值，與以往方法相比極大的提高了工業(yè)效率。
[0020]與【背景技術(shù)】相比，本發(fā)明具有有益的技術(shù)效果:
[0021]I).無需移動包括光學(xué)元件和被測樣品在內(nèi)的任何系統(tǒng)部件，相比于白光光譜干涉技術(shù)、法布里-珀羅干涉技術(shù)和改進型OCT技術(shù)需要精確移動反射鏡或者被測樣品的方式，避免了由于移動系統(tǒng)的某一部分帶來的系統(tǒng)誤差，簡化了試驗操作步驟，提高了測量的準確性與精確度；
[0022]2).對被測樣品的放置位置要求低，可以放置在光路中的任何部位。相比于雙臂白光邁克爾遜干涉儀需要將被測樣品緊貼著參考鏡放置的這一限制，本發(fā)明所述系統(tǒng)中的被測樣品可以根據(jù)環(huán)境控制裝置的要求放置在其需要的位置，以便對被測樣品的外部環(huán)境進行量化控制。比如在加裝一個烤箱或者恒冷器，或是可以改變壓力、電磁場的裝置等。本發(fā)明所述的系統(tǒng)極大的減弱了被測樣品對位置的依賴，為深入的研究被測樣品的折射率與外部環(huán)境的函數(shù)關(guān)系提供了極其便利的條件；
[0023]3).通過對透過被測樣品與不透過被測樣品所產(chǎn)生的一組干涉信號，以及從被測樣品上下表面反射回的光所產(chǎn)生另一組干涉信號進行分析，以被測樣品作為一個低精細度巧妙的FP標準具提供了非常重要的補償信息，同時完成被測樣品厚度與折射率的測量，一次性完成測量，簡化了試驗操作步驟，提高了工業(yè)效率；
[0024]4).另外，兩次測量在同一時間完成，與以往測量系統(tǒng)相比，避免了由于先后兩次測量所處環(huán)境的變化帶來的測量誤差，提高了準確度。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]其中:1、寬帶光源，2、光纖環(huán)行器，3、樣品臂，4、光譜儀，5、計算機，6、第一光纖準直鏡，7、被測樣品，8、第一聚焦透鏡，9、平面鏡，10、第二光纖準直鏡，11、衍射光柵，12、第二聚焦透鏡，13、探測器CXD。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明，本發(fā)明的目的和效果將變得更加明顯。
[0028]如圖1