亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        基于透射光譜的類金剛石膜光學(xué)參數(shù)反演

        2021-05-28 15:18:16王貴全張錦榮鄭萬祥唐瑩娟姜興平李彥生王喬方字正華
        紅外技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:模擬退火折射率金剛石

        王貴全,張錦榮,邵 毅,鄭萬祥,唐瑩娟,胡 中,姜興平,李彥生,,李 偉,王喬方,字正華

        〈材料與器件〉

        基于透射光譜的類金剛石膜光學(xué)參數(shù)反演

        王貴全1,張錦榮2,邵 毅1,鄭萬祥3,唐瑩娟3,胡 中3,姜興平1,李彥生1,3,李 偉3,王喬方3,字正華3

        (1. 昆明北方紅外技術(shù)股份有限公司,云南 昆明 650217;2. 中國人民解放軍32228部隊,福建 廈門 361000;3. 昆明物理研究所,云南 昆明 650223)

        本文采用透射光譜法測量Ge基底類金剛石薄膜(Diamond-like carbon,DLC)的光譜曲線。應(yīng)用測量的光譜曲線,基于模擬退火算法,構(gòu)建目標(biāo)優(yōu)化函數(shù),通過光譜反演法得到薄膜的厚度、折射率、消光系數(shù)。該方法得到的Ge基底類金剛石膜的光學(xué)參數(shù)與橢偏儀測試結(jié)果比對,折射率誤差小于1%,厚度誤差小于2%。并且將薄膜的光學(xué)參數(shù)帶入透過率理論計算模型,得到的Ge基底類金剛石薄膜透射光譜曲線和實際測試曲線的誤差小于2%。該方法只需測量透射光譜曲線,通過計算就能得到薄膜光學(xué)參數(shù),對光學(xué)薄膜設(shè)計和加工具有重要指導(dǎo)意義。

        類金剛石薄膜;透射光譜;薄膜厚度;折射率;消光系數(shù)

        0 引言

        類金剛石薄膜(diamond-like carbon, DLC)具有較高的硬度,抗摩擦性強(qiáng),耐腐蝕性能好,能夠滿足不同的使用環(huán)境對鍍膜元件的不同要求,它被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。

        薄膜光學(xué)常數(shù)是描述光與物質(zhì)相互作用的重要物理量,是入射光頻率的函數(shù)[1],膜制備過程中,薄膜光學(xué)依賴薄膜鍍制工藝方法和制備過程,不同的鍍制工藝得到的薄膜光學(xué)常數(shù)各不相同。精確測量薄膜光學(xué)常數(shù)數(shù)值對膜系設(shè)計和實際應(yīng)用十分重要[2-3]。

        目前,薄膜光學(xué)常數(shù)的測試方法包括非光學(xué)測量方法與光學(xué)測量方法[4]兩大類。非光學(xué)測量方法包括a粒子法、超聲波法等,主要適用于對光學(xué)特性依賴程度不高的薄膜。光學(xué)測量方法主要有光度測量法[5]、橢偏法[6-7]、外差干涉法[8]、棱鏡耦合法[9]、光譜反演法[10]等。目前常用的光譜反演法包括包絡(luò)線法[11]、K-K法[12-13]、全光譜擬合法[14]等。本文借助Cauchy色散模型[15],采用透射光譜法對類金剛石薄膜樣品進(jìn)行測試,通過模擬退火算法[16],構(gòu)建目標(biāo)優(yōu)化函數(shù),利用自編的Matlab算法,得到薄膜的厚度、折射率、消光系數(shù)。

        1 算法模型

        1.1 透過率理論計算模型

        如圖1所示,對于鍍類金剛石膜的平行平面零件,為便于討論計算,把薄膜視為質(zhì)地均勻、各向同性的等厚膜。

        圖1 光在均勻弱吸收表面的透射和反射

        式中:

        式中:為位相角;為基底的吸收因子;為基底第2個界面的反射率;s是基底的透射率,對透明基底有=1,3=0。

        由(1)式可知,透射率是波長、薄膜光學(xué)常數(shù)的函數(shù),=(1,2,2,,3,3,),若1、3,3,均已知,此時透過率就是薄膜光學(xué)常數(shù)2,2,的函數(shù),可表示為:

        =(2,2,) (2)

        1.2 色散模型

        薄膜折射率和吸收系數(shù)是隨波長變化的,Ge基底類金剛石薄膜在2.5~12mm波段屬于透明弱吸收薄膜。一般介質(zhì)薄膜材料的光學(xué)常數(shù)都滿足Cauchy色散模型,可采用Cauchy色散模型擬和類金剛石薄膜光學(xué)常數(shù)。

        由(2)、(3)、(4)可得:

        此時,計算整個波段內(nèi)的薄膜光學(xué)參數(shù)的問題就轉(zhuǎn)化為求解(5)式的問題。

        1.3 光學(xué)常數(shù)與透過率的關(guān)系

        從理論透射率計算公式(1)可以看出,、、不是互相獨立的。圖2、圖3、圖4分別給出了Ge基底類金剛石膜薄膜的不同折射率、不同消光系數(shù)、不同薄膜厚度條件下透過率與波長之間的關(guān)系。

        圖2 膜層不同折射率下波長與透過率變化曲線

        1)膜層折射率與透過率的關(guān)系

        已知1=1,1=0,2=0.01,3=4.003,3=0.01,=950nm。圖2給出了折射率2不同時波長與透射率之間的關(guān)系圖。從圖中可以看出,隨著薄膜折射率的增加,透射峰逐漸向長波方向移動,峰值透過率由小逐漸變大,再逐漸變小。

        2)膜層厚度與透過率的關(guān)系

        已知1=1,1=0,2=2.1,2=0.01,3=4.003,3=0.01。圖3給出了不同薄膜厚度()條件下波長與透射率之間的關(guān)系圖,從圖中可以看出,隨著薄膜厚度的增加,透射峰逐漸向長波方向移動。

        圖3 膜層不同厚度下波長與透過率變化曲線

        3)膜層消光系數(shù)與透過率的關(guān)系

        已知1=1,2=2.1,=950nm,3=4.003,3=0。圖4給出了薄膜不同消光系數(shù)條件下波長與透過率之間的關(guān)系,從圖中可以看出,隨著值的增加,峰值透過率逐漸降低,前端次峰的峰值透過率降低更明顯。

        從以上的分析可知:消光系數(shù)主要影響透過率,隨著值的增加,透過率逐漸降低。隨著薄膜折射率的增加,透射峰逐漸向長波方向移動,峰值透過率由小逐漸變大,再逐漸變小。隨著薄膜厚度的增加,透射峰逐漸向長波方向移動。

        2 模擬退火算法

        本文利用模擬退火算法反演求解薄膜光學(xué)參數(shù),將“評價函數(shù)”替代系統(tǒng)的能量,用“待求參數(shù)的變化”替代退火過程中分子的移動,用“優(yōu)化迭代過程中的步長”等效溫度的變化速度,如果在優(yōu)化過程中讓迭代步長緩慢變化,并且以某種概率隨機(jī)運動,就有可能獲得一個最小的目標(biāo)函數(shù)值,即達(dá)到了該優(yōu)化問題的全局最優(yōu)解。式(5)中,波長和透過率是通過紅外光譜儀測量得到的基本參量,求解(5)式的問題就變成根據(jù)已知的測量值求解非線性方程組。如以最小二乘法計算值與實際測量值之間的逼近程度作為判斷,則評價函數(shù)為:

        式中:為選取的計算值的點數(shù);Tc為計算值;Tm為實際測量值。

        3 實驗及結(jié)果

        3.1 實驗樣品制備

        實驗樣品基底材料選用Ge材料,對其表面進(jìn)行兩面拋光,在其中的一面鍍制類金剛石膜,另一面不鍍膜。樣品兩面的加工指標(biāo)如下:

        光圈=0.2,局部光圈D=0.1,樣品兩面的平行度=102。

        3.2 樣品透射光譜測試

        鍍膜完成之后,采用傅里葉紅外光譜儀測試Ge基底類金剛石膜試驗樣品的透射光譜曲線,測試波長范圍2.5~11mm,透射光譜曲線如圖5所示。

        圖5 Ge基底類金剛石膜透射光譜曲線

        3.3 模擬退火算法計算膜層折射率和厚度

        由Metropolis等[17]提出并發(fā)展起來的模擬退火算法因其在全局范圍內(nèi)有極強(qiáng)大的搜索能力而被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。

        本文采用模擬退火算法求解非線性方程組=(1,1,1,12,2,2,,)。由于Ge基底類金剛石膜在2.5~11mm波段范圍的消光系數(shù)一般在10-3量級,根據(jù)菲涅爾公式可知,薄膜折射率的作用遠(yuǎn)大于消光系數(shù)的影響。所以在應(yīng)用模擬退火算法確定薄膜參數(shù)時,僅考慮了薄膜折射率對透過率的作用。因而=(1,1,1,1,,)非線性方程組有5個值需要計算,故必須從光譜曲線上選取5個測量值m1,m2,m3,m4,m5。如以最小二乘法對計算值與實際測量值之間的逼近程度作為判斷,則評價函數(shù)為:

        =(c1-m1)2+(c2-m2)2+(c3-m3)2+

        (c4-m4)2+(c5-m5)2(7)

        式中:下標(biāo)c,m分別表示計算值和實際測量值;越小,說明測量值和計算值越接近,的最小值對應(yīng)待求的參數(shù)值,即方程的解。模擬退火算法流程圖如圖6所示。

        圖6 模擬退火算法流程圖

        4 擬合結(jié)果與誤差分析

        4.1 擬合結(jié)果

        采用模擬退火算法結(jié)果如下:

        1=2.00008,1=0.3362,1=-1.1534,1=0.5579,=998nm。

        采用Matlab編程方法繪制圖形,得到薄膜2.5~11mm波段Ge基底類金剛石膜折射率色散曲線如圖7中虛線所示。

        為了驗證算法的正確性,采用J. A. Woollam公司VASE型橢偏儀對實驗樣品進(jìn)行測試(橢圓偏振法測量確定薄膜參數(shù)時,假定薄膜具有理想的光學(xué)表面,薄膜折射率不隨厚度變化),得到類金剛石膜折射率曲線如圖7中實線所示(薄膜厚度=1018nm)。

        圖7 模擬退火算法反演與橢偏儀測試結(jié)果對比圖

        Ge基底類金剛石膜厚度相對誤差:

        根據(jù)模擬退火算法得到的光學(xué)常數(shù),可重新計算得到薄膜2.5~11mm波段Ge基底類金剛石膜的透射光譜曲線,其模擬退火算法得到的結(jié)果與實測透射光譜曲線的對比結(jié)果,如圖8所示。

        4.2 誤差分析

        從圖7可以看出,盡管在求解過程中做了近似計算(如假設(shè)所求解的光譜區(qū)內(nèi)吸收系數(shù)為零)。但并沒有因此帶來很大的誤差,且在所求解的區(qū)域內(nèi)精度很高。應(yīng)用該方法計算Ge基底類金剛石薄膜的光學(xué)常數(shù),折射率反演結(jié)果與橢偏儀[18-19]測試結(jié)果比對,誤差小于1%。膜層厚度反演結(jié)果與橢偏儀測試結(jié)果比對,誤差小于2%。

        由此可見,采用正常色散特征的Cauchy模型能夠準(zhǔn)確表征Ge基底類金剛石膜2.5~11mm波段的吸收特性。

        從圖7可以看出,透過率理論計算模型得到的Ge基底類金剛石薄透射光譜曲線和實際測試曲線的相對誤差小于2.5%。這表明通過模擬退火算法得到的光學(xué)常數(shù)能夠較準(zhǔn)確地描述Ge基底類金剛石膜實際透射率的變化規(guī)律。

        該方法只需測試透過率曲線,通過計算就能夠得到薄膜光學(xué)參數(shù),對光學(xué)薄膜設(shè)計和加工具有實際應(yīng)用價值。

        5 結(jié)論

        采用基于透射光譜的模擬退火算法得到的類金剛石薄膜光學(xué)常數(shù)與橢偏儀的測試結(jié)果符合度較高。擬合得到的類金剛石膜透射曲線與實測曲線基本吻合。因此,通過模擬退火算法得到的Ge基底類金剛石薄膜光學(xué)常數(shù)能夠較準(zhǔn)確地描述類金剛石薄膜實際透過率的變化規(guī)律,可為膜系設(shè)計提供依據(jù)。同時,該方法只需測試透過率曲線,通過計算就能夠得到薄膜光學(xué)參數(shù),具有測試過程簡單、計算收斂速度快、精度高等優(yōu)點,對光學(xué)薄膜設(shè)計和鍍制具有重要指導(dǎo)意義。

        [1] 李建超, 蘇俊宏, 徐均琪. 類金剛石薄膜光學(xué)常數(shù)擬合模型的合理性研究[J]. 應(yīng)用光學(xué), 2004, 25(5): 56-59.

        LI Jiachao, SU Junhong, XU Junqi. Study of the reasonableness of fitting model concerning DLC film optical constant[J].., 2004, 25(5): 56-59.

        [2] 章睿榮. 通過全光譜擬合法確定薄膜光學(xué)常數(shù)和厚度[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2007.

        ZHANG Ruirong. Determination of Optical Constants and Thickness of Thin Film with Whole Optical Spectrum Fitting[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2007.

        [3] 李國龍, 鐘景明, 王立惠, 等. 反射光譜擬合法確定聚合物半導(dǎo)體薄膜光學(xué)常數(shù)和厚度[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2016, 53(4): 043101.

        LI Guolong, ZHONG Jingming, WANG Lihui, et al. Determination of optical constants and thickness of polymer semiconductor thin film with reflectivity fitting method[J]., 2016, 53(4): 043101.

        [4] 喬明霞. 薄膜光學(xué)常數(shù)和厚度的透射光譜法測定研究[D]. 成都: 四川大學(xué), 2006.

        QIAO Mingxia. Study on Determination of Optical Constants and Thickness of Thin Films by Transmission Spectrum Method[D]. Chengdu: Sichuan University, 2006.

        [5] 張奇志. 單層SiN衰減型相移掩膜研究[D]. 成都: 四川大學(xué), 2001.

        ZHANG Qizhi. Study of the Attenuatal Phase Motion Coating of SiN[D]. Chengdu:Dectoral Thesis, Chengdu: Sichuan University, 2001.

        [6] Jakopic G, Par G, Papoueek W. Unified analytical inversion of reflectometric and ellipsometric data of absorbing media[J]., 2000, 39(16): 2727-2732.

        [7] 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.

        CHEN Yanping, YU Feihong. Test methods for film thickness and optical constants[J]., 2006, 28(6): 84-88.

        [8] Chiu M, Lee J, Su D. Complex refractive-index measurement based on Fresnel′s equations and the uses of heterodyne interferometry[J].. 1999, 38(9): 4047-4052

        [9] 楊天新, 鄒豪, 王雷, 等. 棱鏡耦合法確定條形波導(dǎo)的漸變折射率分布[J]. 中國激光, 2010, 37(3): 689-695.

        YANG Tianxin, ZOU Hao, WANG Lei, et al. Determining the graded -index profiles of channel wave guides by prism coupling method[J]., 2010, 37(3): 689-695.

        [10] 周天宇. 光學(xué)薄膜反演軟件的研制與應(yīng)用[D]. 長沙: 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2010.

        ZHOU Tianyu. Design and Application of Software of Reverse Engineering of Optical Coating[D]. Changsha: National University of DefenseTechnology, 2010.

        [11] 夏志林, 薛亦渝, 趙利, 等. 基于包絡(luò)線法的薄膜光學(xué)常數(shù)分析[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報: 信息與管理工程版, 2003, 25(5): 73-76.

        XIA Zhilin, XUE Yiyu, ZHAO Li, et al. Analysis of thin film's opticalparameters based on the envelope method[J].: Information & Management Engineering, 2003, 25(5): 73-76.

        [12] 李凱朋, 王多書, 李晨, 等. 光學(xué)薄膜參數(shù)測量方法研究[J]. 紅外與激光工程, 2015, 44(3): 1048-1052.

        LI Kaipeng, WANG Duoshu, LI Chen, et al. Study on optical thin filmparameters measurement method[J]., 2015, 44(3): 1048-1052.

        [13] Laaziza Y, Bennouna A, Chadburn N. Optical characterization of lowoptical thickness thin films from transmittance and back reflectance measurements[J]., 2000, 372: 149-155.

        [14] 侯典心, 路遠(yuǎn), 宋福印. 基于全光譜擬合法的VO2薄膜光學(xué)常數(shù)計算[J]. 紅外技術(shù), 2017, 39(3): 243-249.

        HOU Dianxin, LU Yuan, SONG Fuyin. Optical constants of VO2thin films based on whole optical spectrum fitting[J]., 2017, 39(3): 243-249.

        [15] 閆威. 某些非線性色散方程的確定性與不確定性[D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2011: 28-35.

        YAN Wei. Certainty and Uncertainty of Some Nonlinear Dispersion Equation[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2011.

        [16] 陽生紅, 余招賢, 李輝道, 等. 模擬退火法在橢偏光譜數(shù)值反演中的應(yīng)用[J]. 紅外與毫米波學(xué)報, 2000, 19(5): 338-342.

        YANG Shenghong, YU Zhaoxian, LI Huidao, et al. Simulated annealing optimization algorithm for inverting ellipsometric spectra[J]., 2000, 19(5): 338-342.

        [17] Kirkpatrick, S Gelatt, C D Vecchi, M P Kirkpatrik S, et al. Optimization by using simulated annealing[J]., 1983: 671-680.

        [18] 徐均琪, 馮小利. 多層薄膜光學(xué)常數(shù)的橢偏法研究[J]. 光電工程, 2009, 36(2): 29-33.

        XU Junqi, FENG Xiaoli. Optical constants of multi-layer thin films investigated by spectroscopic ellipsometry[J]., 2009, 36(2): 29-33.

        [19] 余平, 張晉敏. 橢偏儀的原理和應(yīng)用[J]. 合肥學(xué)院學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2007, 17(1): 87-89.

        YU Ping, ZHANG Jinmin. The principle and application of ellipsometery[J].: Natural Sciences Edition, 2007, 17(1): 87-89.

        Calculation of Optical Parameters of Diamond-like Carbon Film Based on Transmission Spectrum

        WANG Guiquan1,ZHANG Jinrong2,SHAO Yi1,ZHENG Wanxiang3,TANG Yingjuan3,HU Zhong3,JIANG Xinping1,LI Yansheng1,3,LI Wei3,WANG Qiaofang3,ZI Zhenghua3

        (1. Kunming North Infrared Technology Co. Ltd, Kunming 650217, China; 2.Unit 32228 of the Chinese People’s Liberation Army, Xiamen 361000, China; 3. Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China)

        In this paper, transmission spectroscopy was used to measure the spectral curve of Diamond-like carbon film on Ge substrate. By using the measured spectral curve and simulated annealing algorithm, the objective optimization function was constructed, and the thickness, refractive index and extinction coefficient of the film are obtained by spectral inversion. Compared the optical parameters of Diamond-like carbon film on Ge substrate obtained by this method with the measured results of ellipsometer, the error of refractive index is less than 1%, the error of thickness is less than 2%. In addition, the optical parameters of the film were brought into the theoretical calculation model of transmittance. Compared with the actual measured curve, the error of the transmission spectrum curve of Diamond-like carbon film on Ge substrate is less than 2%. Once the transmission curve measured, the optical parameters of the film can be obtained by calculation.

        DLC film, transmission spectral, film thickness, refractive index and extinction coefficient

        O635.1

        A

        1001-8891(2021)05-0473-05

        2020-01-13;

        2020-02-21.

        王貴全(1981-),男,高級工程師,主要從事紅外材料特性與光電系統(tǒng)集成技術(shù)研究。E-mail:119455225@qq.com。

        猜你喜歡
        模擬退火折射率金剛石
        簡易金剛石串珠鋸的設(shè)計
        石材(2020年10期)2021-01-08 09:19:54
        模擬退火遺傳算法在機(jī)械臂路徑規(guī)劃中的應(yīng)用
        基于模糊自適應(yīng)模擬退火遺傳算法的配電網(wǎng)故障定位
        一種特殊的金剛石合成結(jié)構(gòu)裝置
        超薄金剛石帶鋸鍍層均勻性研究
        安徽省金剛石找礦簡史
        單軸晶體雙折射率的測定
        SOA結(jié)合模擬退火算法優(yōu)化電容器配置研究
        用Z-掃描技術(shù)研究量子點的非線性折射率
        物理實驗(2015年9期)2015-02-28 17:36:49
        基于遺傳-模擬退火算法的城市軌道交通快慢車停站方案
        国产精品成人网站| 最新福利姬在线视频国产观看| 亚洲中文字幕不卡一区二区三区| 国产亚洲一本二本三道| 久久人妻少妇嫩草av| 午夜福利麻豆国产精品| 中文字幕无码人妻丝袜| 日韩中文字幕乱码在线| 亚洲av熟女少妇久久| 中国农村妇女hdxxxx| 国产91网址| 国产精品久久中文字幕亚洲| 国产一区二区三区在线观看第八页| 欧美激情一区二区三区 | 精品人妻少妇一区二区中文字幕 | 久久免费精品国产72精品剧情| 国产风骚主播视频一区二区| 亚洲国产亚综合在线区| 99久久国产福利自产拍| 亚洲精品成人国产av| 国产极品大秀在线性色| av色综合久久天堂av色综合在| 天天躁日日躁狠狠躁人妻 | 嫩草影院未满十八岁禁止入内| 91极品尤物国产在线播放| 男女视频网站在线观看| 国产成人午夜无码电影在线观看| 色偷偷88888欧美精品久久久 | 国产av国片精品jk制服| 欧美日本日韩aⅴ在线视频| 亚洲精品视频免费在线| 伊人久久这里只有精品| 国产成人久久精品激情| 精品国产一区二区三区香蕉| 一区二区人妻乳中文字幕| 国产偷久久久精品专区| 久久中文字幕乱码免费| 久久精品国产精品亚洲婷婷| 亚洲youwu永久无码精品| 国产熟女高潮视频| 亚洲夫妻性生活视频网站|