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浙江大学光电系
( O4 ^. a- m) `% D* Z& i( v博士学位论文 f- [. M; G- L, i0 V0 g
光学薄膜光学特性检测中若干关键问题的研究; r( \; b! U. B e# x7 u" g; @6 `
姓名：薛晖$ G* l' V/ e* V* j* v/ y% S, O
申请学位级别：博士
8 p* U) X+ J2 U8 {2 e3 O& K6 F专业：光学工程3 _7 D/ a# K/ Z
指导教师：顾培夫;李海峰 e5 R) M5 f3 k) _7 U) Y# H
20090601
. ~3 { ?: i, D) t' }摘要
3 F, t# V/ F8 E" V' d要制备高性能的光学薄膜器件，其光学特性测试的重要性是毋庸置疑的。随
. J* y- F9 j5 c) Y! T, Q6 z8 o着光学薄膜设计与制备技术的发展，各种复杂结构薄膜器件的制备成为可能。设( H3 t0 V( U( S0 B7 d O
计出来的各种复杂的光学薄膜必须经过一系列特性检测才能最终用于生产实践；
! D- g% W% d- D( s对各种光学特性的了解反过来又能指导和修正现有的设计。本课题在传统光学薄
@, F) w% @7 a; R: O膜光学特性检测技术的基础上，对其中的若干关键问题加以讨论，设计了一整套2 L3 C: q( {, w# f- ^/ `
针对光学薄膜光度特性、光学常数以及位相特性检测和反演的方案。论文主要涉% ~7 G- y& ~/ W2 ~5 S
及以下几个方面：( o7 x9 ]! e7 J7 Z* ^: E- y5 B
1、光学薄膜光度特性检测系统的研究。在深入研究国内外各种光学薄膜光* N6 h! @; @: V3 v! ?& f
学特性检测技术的基础上，针对其局限性，设计了新型光谱透反射率测试系统，) b3 X- _/ E8 C
并从总体设计、元器件选择、硬件电路设计以及上位机软件编写四个方面对整个
# _' u* L' I8 |& \$ F% R系统的设计方案加以阐述。重点介绍了几个关键功能的具体实现，包括倾斜光入2 y% `4 W" G; d5 b _- T- n# ]
射的处理、多角度反射率的测量、温度漂移特性的测量、偏振特性的测试及校准- d+ k* b/ B& x% `! B! r% \
以及高精度数据采集系统的设计等等，且均给出了相应的实验结果，从而对其可
1 H9 e& W6 b$ u行性与正确性加以验证。最后，将测试得到的数据与国外高档的商用分光光度计
, I) Y" p. B F! @ U; U2 [+ X相比较，对该光谱测试系统进行了精度分析，详细分析了误差的主要来源，同时
: a& v0 n: m- e0 Y/ c# o4 Q提出了相应的解决方法。) q t8 `: {4 i
2、光学薄膜光学常数反演方法的研究。主要研究了反演光学薄膜光学常数& |# Q8 u# C9 Q0 [# v8 q" {4 E
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' C$ F, _4 \3 ]) F& b5 H/ O& {的几种方法，包括极值法、包络线法和光谱拟合算法，重点分析了基于优化算法
# i/ c7 p2 j J; w5 w' N( S的光谱拟合法的实现原理，将现今流行的优化算法，如单纯形法、模拟退火法和0 u6 R4 V! p' f$ H* k" N" C
遗传算法等应用于光学薄膜光学常数的反演中，通过模拟和实验两方面加以验证，
2 C; ], y# a& B6 Y( q并分析了各种优化算法的优缺点以及各自的适用场合。此外，考虑到实际透射率* W. S3 ^" T* _8 A% C* t; }# Y
的测试必定存在误差，对如何降低其对光学常数反演结果的影响作了详细的讨论
- Q& X- |; O! H# d- `和分析，提出并从理论上证明了可以借助透射(或反射)光谱对光学常数的偏导; n6 V' L5 j Q
数来筛选反演计算的波段，从而抑制光学常数反演结果的误差。; S l- ]* e. m3 Q
3、光学薄膜位相特性检测方法的研究。通过对国内外光学薄膜位相检测技
' L$ F! k( w' J7 |术的研究，提出了包括傅立叶变换法、干涉强度拟合法、包络线法、节点拟合法' L: m3 [; n# [
以及小波变换法在内的多种位相提取算法。为了验证上述算法的正确性，搭建了8 \9 \) A2 y" w2 N, h* w: H
用于位相测量的光谱型白光干涉系统，对制备的不同薄膜样品进行了位相信息
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, U6 T$ o( k8 l. Y1 }" @(包括群延迟和群延迟色散)的测量，并将实验测得的位相值与理论值进行了对. T, f# A- G; C4 L5 Y8 \
比，结果表明两者具有很好的一致性。考虑到位相测试(尤其是群延迟色散)中5 y5 Z8 W$ i# h# G2 W
的噪声水平，采用窗口平滑的方法对其加以改善，并分析了窗口尺寸的选择对测3 W. B2 I9 c% h
试结果的影响。此外，进一步讨论了影响位相以及群延迟测试精度的几点因素，
& n" U- O D: G; _: V并提出了克服和解决的方法。( A3 v6 c$ {: U3 Y9 N
关键词：光学薄膜，光度特性，光学常数，位相特性，群延迟，白光干涉
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