王海姣，王黨社，喬若飛

（西安工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安 710032）

引 言

火棉膠在醫(yī)學(xué)及工業(yè)中有廣泛的用途，是制造清漆、膠片、人工珍珠、人造革的原料，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被用于封堵創(chuàng)傷及灼燒的傷口，在組織學(xué)中常被用作組織的包埋及切片劑［1］。根據(jù)火棉膠的致密性，常被用做樣品薄膜的底膜，通過電子衍射分析物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由于電子波波長在0.01～0.1nm數(shù)量級，因此要求樣品物質(zhì)必須很薄，一般在10nm左右。樣品薄膜的厚度對于晶體衍射花樣有很大影響，因此精確控制薄膜厚度成為通過電子衍射方法分析材料結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素［1］，薄膜厚度的精確測量也就顯得十分重要?，F(xiàn)有薄膜厚度和折射率的測量方法很多，如分光計最小偏向角法［2］、阿貝折射儀臨界角法［3］、干涉法［4］、棱鏡耦合法［5］、橢偏法［6，7］等。這些方法中有些對被測物有較嚴(yán)格的形狀要求，有些測量精度低，有些測量精度雖高但價格昂貴，而且它們很少能同時測量折射率和厚度兩個參數(shù)；而橢偏法適合于透明的或弱吸收的各向同性的厚度小于一個周期的薄膜，也可用于多層膜的折射率、消光系數(shù)、表面孔隙率、晶體的偏振、雙折射的測量等，在各種已有的測定薄膜厚度的方法中，橢偏法具有測量薄膜最薄和測量精度高的特點。利用橢偏法測量薄膜光學(xué)常數(shù)，要根據(jù)薄膜結(jié)構(gòu)建立模型，通過LM算法擬合而得到薄膜的光學(xué)常數(shù)，擬合時必須知道火棉膠的折射率和厚度。到目前為止現(xiàn)有文獻(xiàn)只是給出了火棉膠溶液在某一波長的折射率，而對于火棉膠成膜后其厚度及折射率光譜尚未見研究。文中通過橢偏法測量不同濃度的火棉膠溶液形成的火棉膠薄膜折射率和厚度。

1 原 理

橢偏法是當(dāng)橢圓偏振光入射到樣片表面時，反射光的偏振狀態(tài)會發(fā)生改變。通過測量入射平面內(nèi)偏振光振幅和垂直于入射平面偏振的反射光振幅比值，以及兩個偏振分量的差值，來確定樣品或薄膜光學(xué)常數(shù)的儀器。

圖1 橢偏儀測試系統(tǒng)基本光路原理圖Fig.1 Elliptical polarization measurement schematic

圖1是橢偏儀測試系統(tǒng)基本光路原理圖，激光光源發(fā)出的光，經(jīng)過儀器的起偏器變成線偏振光，在通過補(bǔ)償器（1／4波片）形成橢圓偏振光，然后投射到待測薄膜上，從待測薄膜反射出的光，偏振態(tài)已經(jīng)發(fā)生了變化，偏振態(tài)的變化與薄膜結(jié)構(gòu)相關(guān)，即不同的薄膜結(jié)構(gòu)，其偏振態(tài)的變化不同，在通過檢偏器和接收器就進(jìn)行檢測了。

橢偏儀可以通過測量兩個橢偏角（ψ，Δ）分別獲得振幅和相位的相對變化（ψ，Δ）是由P分量和S分量的反射系數(shù)rp、rs決定的，

式（2）中，n0、φ0己知，通過測出起偏器和檢偏器的方位角，得ψ和Δ，由計算機(jī)求解其超越方程可得出薄膜的折射率n和幾何厚度d。

2 實驗測量

2.1 火棉膠制備

實驗采用BK7（玻璃）為基底，實驗前用甲苯、丙酮、酒精、超聲波依次對基底進(jìn)行清洗?，F(xiàn)分別取0.04mL、0.08mL、0.12mL濃度為1%（體積比）火棉膠醋酸戊脂溶液，滴到盛有相同質(zhì)量蒸餾水的三個蒸發(fā)皿中（直徑為150mm），火棉膠醋酸戊脂溶液將在水面上迅速揮發(fā)，5min后在水面上形成整張的、平展的火棉膠膜，慢慢撈起火棉膠膜，將BK7基底從火棉膠膜的邊緣斜插入水中，然后將玻璃片放置在陽光烘干。

2.2 測量儀器

現(xiàn)使用美國J.A.WOOLLAM生產(chǎn)的變角度橢圓偏振儀測量火棉膠薄膜（基底材料為BK7玻璃，折射率為1.516 80），入射角為75°。

2.3 結(jié)果與討論

2.3.1 模型建立

根據(jù)實際情況建立模型為Srough／Cauchy／BK7均方誤差（meansquared error，MSE）用來表示實驗和預(yù)測數(shù)據(jù)之間相差的量，MSE值越小，實驗和模型數(shù)據(jù)匹配越好（通常認(rèn)為MSE小于5擬合效果理想）。

2.3.2 測量結(jié)果

圖2為火棉膠薄膜擬合曲線。

從圖2可以看出，實驗曲線在300～600nm區(qū)間震蕩較大，主要是由于儀器光源在紫外波段信號較弱，導(dǎo)致信噪比較差，而紅外波段的信號強(qiáng)度較大，信噪比較好，所以曲線震蕩較小。圖2（a）、2（b）實驗曲線基本相同，但圖2（b）震蕩比2（a）稍大，原因是火棉膠薄膜粗糙度較大引起的信噪比較差，圖2（c）中ψ曲線較低且變化較大是由于較多火棉膠溶液在形成薄膜時，受表面張力的影響而導(dǎo)致薄膜表面粗糙度加強(qiáng)，從而引起光散射加強(qiáng)，使得反射后的P光和S光的幅度減小而造成的。圖2擬合曲線與實測曲線基本吻合，擬合誤差MSE值如表1所示，薄膜厚度如圖3所示，折射率如圖4所示。

圖2 火棉膠薄膜擬合曲線Fig.2 The collodion film fitting curve

表1 MSE值對比結(jié)果Tab.1 Comparison of the results of MSE value

從表1可知，擬合結(jié)果的MSE值都小于5，認(rèn)為擬合效果比較理想。

從圖3中可以看出，在相同測試條件下，隨著火棉膠醋酸戊脂溶液體積的增大，火棉膠薄膜厚度也越厚，0.04mL、0.08mL、0.12mL火棉膠醋酸戊脂溶液形成的火棉膠薄膜厚度分別是44.545nm、77.960nm、129.891nm。

圖3 火棉膠厚度對比圖Fig.3 Collodion thickness comparison chart

從圖4可看出隨著波長的增大折射率減小，三種薄膜對應(yīng)柯西模型A、B、C系數(shù)分別為：1.484 3、0.007 398 8、－0.000 268 73；1.483 7、0.007 633 6、－0.000 319 06；1.474、0.015 465、－0.001 743。隨著火棉膠醋酸戊脂溶液的增多，即薄膜越厚，其折射率越低，主要是由于此時薄膜的相對介電常數(shù)較低所致。

圖4 火棉膠折射率曲線Fig.4 Collodion refractive index curve

3 結(jié) 論

文中利用橢偏原理，采用光譜反射型橢偏儀測量不同體積火棉膠醋酸戊脂溶液撈制的火棉膠薄膜的厚度和折射率，擬合所建模型為Srough／Cauchy／BK7。結(jié)果表明：制備火棉膠時使用的火棉膠醋酸戊脂溶液體積越大，薄膜厚度越厚，折射率越低。體積為0.04mL、0.08mL、0.12mL火棉膠醋酸戊脂溶液所制備的火棉膠薄膜厚度分別是47.545nm、77.960nm、129.891nm，柯西模型A、B、C系數(shù)分別為：1.484 3、0.007 398 8、－0.000 268 73；1.483 7、0.007 633 6、－0.000 319 06；1.474、0.015 465、－0.001 743，所以該模型能夠較好地表征火棉膠薄膜結(jié)構(gòu)。

［1］ 石 瑾，傅群武.介紹一種新型鑄型填充劑－火棉膠［J］.中國臨床解剖學(xué)雜志，2001，19（2）：187－190.

［2］ 母國光.光學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1978：37－38.

［3］ 王之江.光學(xué)技術(shù)手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994：235－237.

［4］ 鄧元龍，姚建銓，阮雙琛.透射式外差橢偏測量及非線性誤差分析［J］.測試技術(shù)學(xué)報，2005，19（3）：225－228.

［5］ SHIONODERN H，AWEI J，IEMILKENOUE.塊體材料的折射率測量：棱鏡耦合法［J］.光學(xué)技術(shù)，1992，18（6）：12－15.

［6］ 陳燕平，余飛鴻.薄膜厚度和光學(xué)常數(shù)的主要測試方法［J］.光學(xué)儀器，2006，28（6）：84－88.

［7］ 傅曉東.橢圓偏光法測量薄膜折射率和厚度的研究［J］.廣東教育學(xué)院學(xué)報，1997（2）：20－27.