吸收損耗是由于電能、電磁能或聲能與材料介質(zhì)相互作用而耗散或轉(zhuǎn)換為其它形式的能量而引起的。在薄膜中體現(xiàn)為部分光能轉(zhuǎn)化為熱量而消散。

二、有哪幾種類型的吸收損耗

膜層的吸收損耗分為兩種形式：

1、固有吸收損耗

固有損失是材料本身對(duì)光能的吸收，每個(gè)材料都有其對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的吸收帶。固有吸收損耗是無法消除的，但是可以通過薄膜制備方法、環(huán)境因素等使其發(fā)生改變。

2、外在吸收

外在吸收是材料雜質(zhì)或界面污染引起的吸收損耗，有時(shí)，該損耗還和襯底特性有關(guān)聯(lián)。

三、為什么要單獨(dú)測(cè)量膜層的吸收損耗

一般來說，若需要獲得光學(xué)元件的總損耗，只需測(cè)量其反射光譜和透射光譜足以。對(duì)于高反膜，可以使用光腔衰蕩光譜法。但是，對(duì)于某些特定應(yīng)用，吸收損耗和散射損耗對(duì)光學(xué)性能有不同的影響作用，因此往往需要單獨(dú)測(cè)量吸收和散射損耗。同時(shí)，在某些情況下，將襯底吸收和膜層吸收分開測(cè)量可以用來區(qū)分不同的吸收來源。在光學(xué)鍍膜測(cè)試中，散射損耗極小一般被忽略（在高透/高反膜中，極小的散射損耗也會(huì)帶來極大的影響，本文第十問會(huì)對(duì)散射損耗做個(gè)簡(jiǎn)要補(bǔ)充），吸收損耗是我們關(guān)注的重點(diǎn)。

四、吸收損耗中的關(guān)鍵參數(shù)有哪些

1、吸收量（absorption）

吸收量表示在一定時(shí)間下，材料吸收一定波長(zhǎng)的光的總和。

2、吸光度（Absorbance）

吸光度是入射到樣品或材料上的光量與光與樣品相互作用后檢測(cè)到的光的比值的對(duì)數(shù)。其表示了樣品對(duì)材料的吸收率，其值與膜厚和吸收系數(shù)有一定關(guān)系。

3、吸收系數(shù)α（absorption coefficient）

吸收系數(shù)表示材料對(duì)一定波長(zhǎng)的光的吸收能力，決定了一定波長(zhǎng)的光在被吸收之前可以穿透到材料中多遠(yuǎn)。其值很大程度上由材料的特性和波長(zhǎng)決定。

4、吸收消光系數(shù)k（extinction coefficient）

吸收消光系數(shù)同樣用來表征材料對(duì)一定波長(zhǎng)的光的吸收能力。吸收消光系數(shù)k與吸收系數(shù)α滿足一定的函數(shù)關(guān)系，其關(guān)系如下式所示：

α=(4π/λ)·k

       同時(shí)1dB/cm=4.34α。

五、膜層吸收損耗的測(cè)試方法是什么

測(cè)試膜層的吸收損耗的基本原理是利用激光輻照薄膜樣品時(shí)的熱效應(yīng)。常用方法有有激光量熱法、光熱偏轉(zhuǎn)法、光熱共路徑干涉測(cè)量法、表面熱透鏡法、光聲光譜法、紅外熱像儀法等。在目前商用的一般有三種：

1、激光量熱法

激光量熱法是吸收損耗測(cè)量的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（本文參照ISO 11551: 2019）。該方法測(cè)量吸收損耗的具體方法是采用一束激光輻照薄膜樣品，隨后使用熱敏電阻(或熱電偶)測(cè)量薄膜樣品溫度從輻照升溫到冷卻的變化，用函數(shù)擬合方法計(jì)算得到樣品吸收率的數(shù)值。其假設(shè)測(cè)試樣品的吸收在測(cè)量過程中樣品所經(jīng)歷的溫度波動(dòng)范圍內(nèi)是恒定的。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于其十分簡(jiǎn)單，測(cè)量只涉及樣品的比熱容和應(yīng)用的激光功率。但是，如對(duì)于低熱導(dǎo)率材料，其依賴于環(huán)境濕度、樣品材料、其表面粗糙度和背景介質(zhì)等因素，導(dǎo)致其難以提高精確度。

2、光熱偏轉(zhuǎn)法（laser induced deflection / LID）

光熱偏轉(zhuǎn)法又稱激光誘導(dǎo)偏轉(zhuǎn)法，其所用裝置包括激光器、反射鏡、鍍有樣品膜層（例如高反鏡）的元件、輸出耦合器、激光功率計(jì)和用于溫度測(cè)量的高溫計(jì)。裝置搭建如圖1所示。由于使用特定偏轉(zhuǎn)方向的測(cè)量，所以減小了襯底材料的吸收所帶來的影響，提高了膜層吸收損耗測(cè)量的精確度。其可測(cè)量的最小吸收率小于1 ppm（10^-6）。 但相對(duì)于激光量熱法，其極高的測(cè)試精度需要依賴于較高的實(shí)驗(yàn)技巧。多使用1030nm激光測(cè)試反射膜。測(cè)試往往需要使用低輻照的激光源，可以盡量減小襯底材料的影響。

3、光熱共路徑干涉測(cè)量法（photo-thermal common-path interferometry / PCI）

光熱共路徑干涉測(cè)量法又稱為相敏泵浦探針技術(shù)（phase-sensitive pump-probe technique）。其通過泵浦光束將被測(cè)樣品加熱（吸收轉(zhuǎn)化為熱能）形成熱透鏡，使探測(cè)光束產(chǎn)生波前畸變。畸變使探測(cè)光束內(nèi)部產(chǎn)生干涉效應(yīng)，進(jìn)而影響光束強(qiáng)度（相位），該強(qiáng)度（相位）變化能被探測(cè)器所探測(cè)到。通過泵浦光的周期開關(guān)，測(cè)試的干涉圖樣被時(shí)間調(diào)制，可以進(jìn)一步獲得更準(zhǔn)確的薄膜的吸收率。在該方法中，襯底一般為平面。該方法的測(cè)量精度大致在5×10^-4cm^-1。

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參考文獻(xiàn)

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光學(xué)鍍膜指標(biāo)——吸收損耗最先出現(xiàn)在芯飛睿。

光譜是光與物質(zhì)相互作用的結(jié)果。當(dāng)光照射到一個(gè)界面會(huì)發(fā)生反射、透射或吸收，不同波長(zhǎng)的光會(huì)產(chǎn)生不同程度的反射或透射以及吸收損耗。于是，不同波長(zhǎng)的光通過同一界面的作用，在接收端就會(huì)接收到不同的光的強(qiáng)弱信號(hào)。將這些不同的波長(zhǎng)下接收到的光的信息繪制成譜線，即我們通常所說的光譜。研究反射光線隨波長(zhǎng)的變化曲線稱為反射光譜；研究透射光線隨波長(zhǎng)的變化曲線稱為透射（透過）光譜。（Crylink規(guī)格表中一般使用反射光譜作為表征，故下述舉例一般都為反射光譜。）

圖1 反射光譜圖兩種形式 （a）某增透膜的反射光譜；（b）某增反膜的反射光譜

二、為什么需要反射/透過光譜

首先，光譜圖比起參數(shù)表更加直觀且能從圖中獲取很多信息。

• 我們能從光譜圖上直接讀出一定范圍內(nèi)每一個(gè)波長(zhǎng)的反射率/透過率；
• 我們能看出一個(gè)膜層的反射率/透過率的峰值和峰值波長(zhǎng)，這對(duì)于我們選擇窄帶激光窗口片等起關(guān)鍵作用；
• 對(duì)于寬帶應(yīng)用，我們可以看到膜層作用的波長(zhǎng)范圍以及是否穩(wěn)定平坦；
• 通過多光譜在同一坐標(biāo)系下的繪制，我們可以直接從圖中看出膜層的優(yōu)劣等。

除此之外，還有一些特殊的光譜圖例如偏振光反射光譜或?qū)⑼ㄟ^反射光譜和透過光譜獲得的信息進(jìn)行一定的處理，還能進(jìn)而獲得膜層下的群色散（GD）、群色散延遲（GDD）和吸收損耗等信息。我們將在之后的專題中詳細(xì)說明。

三、反射/透過光譜圖怎么看

反射/透過光譜代表反射率/透過率隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律。所以一般情況下，反射/透過光譜圖都是以“波長(zhǎng)”作為橫坐標(biāo)，以“反射率/透過率”作為其縱坐標(biāo)。需要注意一點(diǎn)，在不同坐標(biāo)系下，將譜線形狀直接對(duì)比是沒有意義的。
光譜曲線是我們能看到的最直觀的光譜信息表達(dá)形式。以下舉了三個(gè)例子來說明如何從光譜圖上直接讀到信息。

1、簡(jiǎn)單的寬帶平坦光譜曲線

此類光譜曲線十分簡(jiǎn)單明了，但是最為典型。我們可以看出譜線的線型呈現(xiàn)倒U狀，頂部極其平坦。如圖2 的紅字標(biāo)注我們可以看到該曲線的頂點(diǎn)的坐標(biāo)在（536，99.997）附近。說明該曲線的峰值，即反射率的最大值在99.997%左右，峰值波長(zhǎng)在536nm附近。但是對(duì)于一個(gè)寬帶光譜來說，比起單點(diǎn)峰值，我們更應(yīng)該關(guān)注一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率值。假定框選500-560nm波長(zhǎng)范圍，如藍(lán)字標(biāo)注所示，我們可以清楚地看到，該段光譜曲線全部位于99.99%以上。由數(shù)據(jù)可以看出該層膜十分適用于500-560nm內(nèi)綠光的高反且要求穩(wěn)定的應(yīng)用場(chǎng)合。

2、多條含小起伏的光譜曲線

有些光譜曲線并不如圖2那樣直接，如圖3所示。圖3包含兩條曲線，從圖3的中心我們可以看出灰線為0°入射，藍(lán)線為5°入射（AOI = angle of incidence）。通過圖像可以發(fā)現(xiàn)兩條曲線近乎重疊，由此可以推斷在小角度入射角變化下，光譜與入射角近似不相關(guān)。所以此類膜系可適用于小角度斜入射的光學(xué)應(yīng)用。
再從單條曲線，如灰線，與圖2曲線相比顯得不是那么平坦。但從圖中我們依舊可以看出，495-570nm范圍內(nèi)反射率小于等于1.3%；500-570nm范圍內(nèi)反射率小于等于0.7%；525-565nm范圍內(nèi)反射率低至0.4%以下。從哪個(gè)范圍讀數(shù)據(jù)需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，若客戶需求應(yīng)用于532nm的大于99%透過率的鍍膜，該光譜圖所對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品就能很好地滿足需求。故光譜圖能做到輔助個(gè)性化的選擇。

3、大起伏有明顯峰值的光譜曲線

有部分光譜曲線并不適用于寬帶的應(yīng)用場(chǎng)景，它們普遍有較窄的穩(wěn)定范圍，較大的起伏和明顯的峰值，如圖4所示。該光譜曲線有兩個(gè)明顯的特征點(diǎn)，分別位于808nm和1064nm附近。此兩點(diǎn)的反射率近乎接近于0，即有極高的透過率。所以該光譜所代表的膜層可很好地應(yīng)用于808nm和1064nm的窄帶高透過應(yīng)用如分光鏡。

四、增透膜和增反膜的光譜圖的區(qū)別是什么

光線照射到一個(gè)界面產(chǎn)生反射、透射和吸收，根據(jù)能量守恒定律，入射光=反射光+透射光+吸收損耗。反射率R和透射率T分別為反射光和透射光相較于入射光的比值，吸收率A為吸收損耗相較于入射光的比值，故可以得出R=1-T-A。若已知增透膜的的吸收損耗為0或接近于0，增透膜的透過光譜同樣可以用反射光譜來表示（需要注意的是，透射光譜并不能完全使用反射光譜做替代，若做相關(guān)實(shí)驗(yàn)，仍需要考慮吸收的影響，后續(xù)會(huì)有專題對(duì)吸收損耗做詳細(xì)說明）。Crylink的規(guī)格表中增透膜（AR膜）和增反膜（HR膜）基本統(tǒng)一使用反射光譜作為呈現(xiàn)指標(biāo)。增透膜的反射光譜一般呈現(xiàn)正U的形狀，增反膜的反射光譜一般呈現(xiàn)倒U的形狀，如前圖1所示。增反膜的反射光譜曲線數(shù)值越大反射率越大，質(zhì)量越好；增透膜的反射光譜曲線數(shù)值越小透過率越大（假設(shè)吸收極小），質(zhì)量越好。

五、相關(guān)關(guān)鍵術(shù)語是什么意思

1、反射率（reflection）：

反射率是一個(gè)參數(shù)，用于描述傳輸介質(zhì)中的阻抗不連續(xù)性反射了多少波。我們將從界面反射功率與入射功率的分?jǐn)?shù)稱為反射率（或功率反射系數(shù)）R。
反射率取決于光的波長(zhǎng)，入射光和反射光的方向，光的偏振，材料的類型（金屬，塑料等），材料的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)，以及材料及其表面的狀態(tài)（溫度，表面粗糙度，氧化和污染程度）等。

2、透過率（transmittance）：

我們將折射到第二介質(zhì)中的透過功率與入射功率的分?jǐn)?shù)稱為透過率（或透射率、功率傳輸系數(shù)）T。
透過率的取決因素和反射率類似，此處不再做額外贅述。

3、峰值（peak）：

變化波形上的最高點(diǎn)/最低點(diǎn)（對(duì)于反射光譜，增反膜看最高點(diǎn)和增透膜看最低點(diǎn)）。

4、峰值波長(zhǎng)（peak wavelength）：

在反射光譜中，峰值波長(zhǎng)是達(dá)到反射率最大值的單一波長(zhǎng)。通常峰值波長(zhǎng)會(huì)被當(dāng)做特定設(shè)計(jì)波長(zhǎng)(DWL)。

5、帶寬（bandwidth）：

帶寬是一個(gè)波長(zhǎng)范圍，用于表示頻譜中入射能量透過或反射在光學(xué)元件界面的特定部分。帶寬又稱為半高全寬（一般用于濾波元件中）。

6、半高全寬（FWHM）：

半高全寬描述光學(xué)元件傳輸?shù)念l譜帶寬。該帶寬的上限和下限是在達(dá)到反射率/透過率的50%時(shí)的波長(zhǎng)下定義的。10nm或更低的半高全寬被認(rèn)為是窄帶，通常用于激光凈化和化學(xué)檢測(cè)；25-50nm的半高全寬經(jīng)常用于機(jī)器視覺應(yīng)用；超過50nm的半高全寬被認(rèn)為是寬帶，通常用于熒光顯微鏡應(yīng)用。

7、波長(zhǎng)范圍（wavelength range）：

波長(zhǎng)范圍用來描述一個(gè)波長(zhǎng)到另一個(gè)波長(zhǎng)中間的值。光學(xué)元件的選取通常依賴于客戶所需的波長(zhǎng)范圍的應(yīng)用。

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參考文獻(xiàn)

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• [4] 反射鏡.
• [5] Anti-Reflection (AR) Coatings.

光學(xué)鍍膜光譜指標(biāo)——反射率R最先出現(xiàn)在芯飛睿。

1.光腔（optical cavity）

光腔又稱為光學(xué)諧振（頻率一致而產(chǎn)生幅值增強(qiáng)的現(xiàn)象）腔。其通常由兩面反射鏡形成的一個(gè)光學(xué)腔體結(jié)構(gòu)。在光腔衰蕩光譜法中，兩面反射鏡都為高反鏡，一面為參考鏡，另一面為被測(cè)鏡。光波會(huì)限制在腔體內(nèi)產(chǎn)生多次反射。

2.光腔衰蕩（cavity ring-down/CRD）

一束光照射進(jìn)由參考鏡和被測(cè)鏡組成的光腔中，光會(huì)在光腔中多次反射。由于反射鏡并不是百分百反射，有透射和吸收等損耗的影響。光的能量會(huì)隨時(shí)間進(jìn)行一個(gè)衰減。這個(gè)過程就叫光腔衰蕩。

3.光腔衰蕩光譜（cavity ring-down spectroscopy/CRDS）

光腔衰蕩光譜是一種高靈敏度的光譜技術(shù)，可以通過光的總損耗來精確地確定反射鏡的反射率。光腔衰蕩光譜又被稱為光腔衰蕩激光吸收光譜（CRLAS）。
光腔衰蕩光譜一般分為脈沖光腔衰蕩光譜和連續(xù)波光腔衰蕩光譜。

二.什么是光譜儀

光譜儀（spectrometer）是一種科學(xué)儀器，用于分離和測(cè)量物理現(xiàn)象的光譜分量。其所測(cè)量的變量通常是光的強(qiáng)度，但也可以是例如偏振狀態(tài)。光譜儀主要由光源、色散組件（棱鏡或光柵）和探測(cè)器組成。用光電探測(cè)器接收色散信號(hào)的光譜儀同時(shí)被稱為分光光度計(jì)。
對(duì)于一般光學(xué)元件的反射率測(cè)量中，常用商用光譜儀直接測(cè)量反射光譜，測(cè)量精確度往往依賴于儀器本身的精確度。

三.光腔衰蕩光譜的設(shè)備是什么？

光腔衰蕩光譜測(cè)量所使用的設(shè)備被稱為光腔衰蕩光譜儀。
光腔衰蕩光譜儀與一般光譜儀有一些區(qū)別，其包含一個(gè)用于高精細(xì)度光腔的激光光源、構(gòu)成光腔的兩面高反鏡和探測(cè)器。
光腔衰蕩光譜儀測(cè)量的是，光強(qiáng)衰減為初始強(qiáng)度的 1/e 所需要的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間被稱為“衰蕩時(shí)間”可以被用來計(jì)算系統(tǒng)的總損耗。

四.光腔衰蕩光譜的測(cè)試方法是什么？

• 將光腔的兩面鏡子分別設(shè)置為參考鏡和被測(cè)鏡；
• 將激光器的激光（脈沖/連續(xù)）引入光腔，通過反射鏡的反射，往返光線因多次相長(zhǎng)干涉（頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位差恒定的光的疊加增強(qiáng)）迅速增強(qiáng)；
• 之后將激光迅速切斷，使用放置于反射鏡后的探測(cè)器探測(cè)從腔中逸出光強(qiáng)的衰減程度；
• 通過衰蕩時(shí)間來計(jì)算相應(yīng)的激光往返一次的總損耗；
• 更改參考反射鏡多次測(cè)量，確認(rèn)被測(cè)反射鏡的損耗，以獲得被測(cè)反射鏡的反射率及其反射光譜。

五.光腔衰蕩光譜的技術(shù)原理是什么

以脈沖光腔衰蕩光譜法做說明。脈沖光被限制在空的光腔中做多次反射，因吸收和散射造成光束能量的衰減，其總損耗已被證明為與時(shí)間相關(guān)的指數(shù)函數(shù)。

I(t)=I₀e^-t/τ

在上式中，I(t)為在t時(shí)刻的光強(qiáng)；I₀為初始光強(qiáng)；t為激光器被切斷的瞬間后光束限制在腔內(nèi)反射的時(shí)間；e為自然常數(shù)，其值約為2.718；τ為衰減時(shí)間常數(shù)，表示為I_t衰減到I₀的1/e所需的時(shí)間，其值取決于腔內(nèi)的反射鏡的損耗和其它的一些光學(xué)損耗如散射等。τ用數(shù)學(xué)式可表示為：

τ=(n/c)*(2L/α)

在上式中，n為腔內(nèi)的折射率，一般情況下為空氣，則n=1；c為真空中的光速，其值為3×10⁸m/s；L為腔體長(zhǎng)度，即兩面反射鏡中心的距離；α為系統(tǒng)往返一次的總損耗（包括兩面反射鏡的透射損耗、吸收損耗和散射等其它光學(xué)損耗），即我們關(guān)心的值。
總損耗包括兩面反射鏡的透射損耗、吸收損耗和散射等其它光學(xué)損耗，若假設(shè)兩面反射鏡的反射率R₁=R₂=R~1時(shí)，由I(t)=I₀(R₁R₂)^(n*2L)/c可確認(rèn)總損耗：

α=-ln(R₁R₂)≈2(1-R)

但我們還有一種更精確的測(cè)試方式。
假設(shè)有三面反射鏡，M₁、M₂和M₃。M1和M2為參考反射鏡，M3為被測(cè)反射鏡。通過上述方法我們可以獲得M1和M2的總損耗α₁₂，M2和M3的總損耗α₂₃，M1和M3的總損耗α₁₃。由此可以很簡(jiǎn)單地得出被測(cè)反射鏡的單鏡損耗為：

α₃=1/2(α₂₃+α₁₃-α₁₂)

    由上式，我們就可以獲得一個(gè)準(zhǔn)確率極高的反射率及反射光譜。

六.光腔衰蕩能測(cè)試的精度在多少

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光腔衰蕩光譜最先出現(xiàn)在芯飛睿。