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用于获取硫系薄膜折射率的平移匹配法
作者: irglass 时间: 2021-07-29 浏览:364 次

      近日,我室研究生潘磊(第一作者)和宋宝安副教授(通讯作者)在仪器与测量领域著名期刊IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT上发表了题为“Translation Matching Method for Obtaining the Refractive Index of Chalcogenide Films Based on the Transmission Spectra”的论文(ISSN: 0018-9456, 2021, 70:10857, IF=4.016)

        硫系薄膜是红外光学器件微型化和集成化的重要载体,具有较大的三阶光学非线性和良好的光敏性,在光通信、光传感和集成光学器件等领域广泛的应用。结合飞秒激光微加工,硫系薄膜在微纳光子器件领域具有很大的应用价值。薄膜折射率的准确获取对于制造高质量的光子器件至关重要。

Swanepoel方法能快速、准确获取光学薄膜的折射率和厚度,已被研究人员熟知并广泛应用。在我们先前的工作【Opt. Express25 (2017) 440–451】中提出了改进的Swanepoel方法解决了该方法计算时吸收区厚度值异常的问题,但是我们发现光诱导或热处理后硫系薄膜的透射光谱下降以及干涉减弱,改进的Swanepoel方法无法准确获取薄膜的折射率。因此提出了平移匹配法,进而能够精确获取光诱导或热处理后的硫系薄膜折射率。

       仿真计算分析了三种类型的薄膜的折射率,如图1所示。改进的Swanepoel方法仅适用于前两种薄膜(a1,b1),计算c1薄膜的折射率和厚度时出现严重误差,误差分别高达73%和42%。本文提出的平移匹配法能够有效校准薄膜的透射光谱,进而准确获取薄膜的折射率,精度优于0.1%。

图1 三种类型薄膜的理论模型和透射光谱

        实验制备三块Ge28Sb12Se60薄膜,其中两块分别进行热处理和飞秒激光诱导,测量了薄膜的厚度和透射光谱,如图2所示,结果显示薄膜在热处理和光诱导后透过率出现下降和干涉减弱。利用平移匹配法和改进的Swanepoel方法计算的均匀薄膜a1的折射率和厚度接近,且与测量值吻合。对于非均匀薄膜b1平移匹配法的精度略高于改进的Swanepoel方法。Swanepoel方法获取表面粗糙的非均匀薄膜c1的厚度与折射率时出现明显误差,平移匹配法通过校准透射光谱进而克服了该问题。

图2 三种类型Ge28Sb12Se60薄膜的透射光谱和厚度

图3 平移匹配法TMM和改进的Swanepoel法获得三种类型薄膜的折射率

       研究结果显示平移匹配法有效解决了Swanepoel方法无法准确获取表面粗糙薄膜的折射率的问题,精度更高,适用范围更广,该方法将为快速准确获取各类透明光学薄膜的折射率提供了新的选择,具有广阔的应用前景。