應(yīng)用于高性能光學(xué)薄膜表征的光熱光聲檢測(cè)技術(shù)

武瀟野，張立超，時(shí) 光

（中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春130033）

應(yīng)用于高性能光學(xué)薄膜表征的光熱光聲檢測(cè)技術(shù)

武瀟野*，張立超，時(shí) 光

（中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春130033）

本文介紹了光熱與光聲探測(cè)技術(shù)的基本原理,結(jié)合光學(xué)薄膜的吸收測(cè)試、光學(xué)薄膜的激光輻照特性表征、激光損傷特性表征以及光學(xué)薄膜的機(jī)械性質(zhì)表征等各種具體應(yīng)用,對(duì)激光量熱法、光熱偏轉(zhuǎn)法、表面聲波法等典型的光熱、光聲檢測(cè)方法進(jìn)行了分析；闡述了這些方法的測(cè)試原理以及各自優(yōu)勢(shì)與不足。介紹了該領(lǐng)域利用這些方法取得的一些成果,并就光聲光熱檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)做了展望。

光熱方法；光聲法；激光量熱法；激光輻照；檢測(cè)技術(shù)

1 引言

伴隨著光學(xué)系統(tǒng)及光電探測(cè)系統(tǒng)日新月異的發(fā)展,對(duì)系統(tǒng)中的薄膜光學(xué)元件也提出了日益嚴(yán)苛的要求,全面滿足實(shí)際使用過程中的光學(xué)性能、力學(xué)性能及環(huán)境適應(yīng)性等綜合性能指標(biāo),是未來薄膜光學(xué)元件必須解決的問題。作為指導(dǎo)薄膜制備工藝的前提條件,各種先進(jìn)表征方法應(yīng)運(yùn)而生,而基于光聲及光熱原理的檢測(cè)技術(shù)就是其中重要的一類方法。傳統(tǒng)的光學(xué)薄膜特性測(cè)試方法包括光度法、橢偏法等。然而,隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展,利用這些方法對(duì)各類高性能光學(xué)薄膜進(jìn)行測(cè)試有很大的局限性,測(cè)試參數(shù)種類較少,測(cè)試精度較低。為了全方位、更加精確地表征光學(xué)薄膜的特征,一些新型的測(cè)試方法（如光熱法、光聲法等）逐漸發(fā)展起來。近年來,高能激光技術(shù)的發(fā)展,對(duì)系統(tǒng)中光學(xué)薄膜的性能要求越來越高,比如高成像質(zhì)量、高透過率、高反射率、低吸收以及良好的力學(xué)性能和較長(zhǎng)的壽命等。這些都是滿足光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的必要條件。首先,高能激光下,即使是十分微小的吸收也會(huì)造成光能的嚴(yán)重?fù)p耗?？梢哉f光學(xué)薄膜器件的性能直接限制了整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的性能［1］。其次,光學(xué)薄膜的力學(xué)性能（比如薄膜的應(yīng)力、楊氏模量、填充密度等）,是光學(xué)元件面形、表面粗糙度等指標(biāo)的重要保證。此外,較長(zhǎng)的薄膜壽命也對(duì)其擁有高的激光損傷閾值、強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性等提出了更加苛刻的要求。

為了制備高性能的光學(xué)薄膜元件,首先要有相應(yīng)的檢測(cè)手段。光熱探測(cè)就是針對(duì)在高能激光輻照的情況下,對(duì)薄膜進(jìn)行表征采用的一類方法,主要用于對(duì)光學(xué)薄膜短波吸收特性的精確表征。光熱測(cè)試方法有很多種,隨著技術(shù)的發(fā)展,該方法在測(cè)試精度上日益提高,適用范圍不斷擴(kuò)大,成為薄膜探測(cè)的得力工具。而光聲方法也是針對(duì)光學(xué)薄膜特性檢測(cè)的一類新方法,主要用于對(duì)光學(xué)薄膜吸收、彈性性質(zhì)以及亞表面損傷等方面的精確檢測(cè)［2-5］,適用范圍較廣。

光熱法和光聲法的理論研究近年來逐漸走向成熟。本文綜述了光熱法和光聲法的基本原理,介紹了幾種基于光熱原理的測(cè)試方法,并詳細(xì)介紹了利用光熱法進(jìn)行的光學(xué)薄膜器件的激光輻照特性的研究；介紹了光聲法的基本原理,以及利用光聲法對(duì)薄膜若干種重要特性的表征。

2 光熱法的發(fā)展及主要應(yīng)用

光熱法就是在元件吸收難以直接精確獲得的情況下,利用激光輻照時(shí)元件吸收產(chǎn)生的溫度變化來間接獲得元件吸收的方法。根據(jù)具體的測(cè)量方式不同,光熱法又可細(xì)分為兩類：第一類通過直接測(cè)量元件溫度變化來推出元件的吸收,稱為量熱法［6］；另一類不直接對(duì)受熱元件進(jìn)行測(cè)量,而另外采用一束單獨(dú)的探測(cè)光作用于在輻照激光作用下產(chǎn)生熱變形的樣品,而通過探測(cè)光的信號(hào)強(qiáng)度、方向或波前質(zhì)量的變化間接計(jì)算出吸收,具體分為熱透鏡法［7］、偏轉(zhuǎn)法［8］、波前法［9］。

2.1 各種光熱測(cè)試法的基本原理及其特點(diǎn)

2.1.1 激光量熱法

在激光量熱法（圖1）中,利用脈沖激光照射鍍膜樣品。樣品吸收激光能量后轉(zhuǎn)化為熱量導(dǎo)致溫度上升。在連續(xù)（約幾分鐘）激光輻照及后續(xù)的冷卻過程中,持續(xù)記錄樣品溫度的變化（圖2）。采用由傳熱方程推導(dǎo)出來的升溫關(guān)系函數(shù)對(duì)測(cè)量得到的溫度變化曲線進(jìn)行擬合,從而獲得樣品的吸收。

激光量熱法的概念在20世紀(jì)70年代由Pinnow等人［10］提出并進(jìn)行了首次實(shí)驗(yàn)嘗試。但在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),由于各種技術(shù)上的難度無法獲得突破,量熱法的精度一直難以提高［11］,阻礙了這一方法的大規(guī)模應(yīng)用。隨著高靈敏溫度測(cè)量方法和氣體溫度精密環(huán)控技術(shù)的逐步改進(jìn),激光量熱法獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)展［12］,目前已成為測(cè)量光學(xué)元件微弱吸收的主流方法。目前基于該方法的激光量熱裝置的測(cè)量靈敏度已優(yōu)于10-6量級(jí)［13］,且具體測(cè)量規(guī)程也已經(jīng)形成ISO11551的國際標(biāo)準(zhǔn)。

激光量熱法的技術(shù)關(guān)鍵在于精確控制和測(cè)量加熱與冷卻過程中樣品溫度變化。由于元件的絕對(duì)吸收十分微弱,所以導(dǎo)致的溫度變化值也很小,通常在μK的數(shù)量級(jí),所以能否實(shí)現(xiàn)溫度的準(zhǔn)確測(cè)量就成為了影響激光量熱法測(cè)試精度的關(guān)鍵因素。為此,首先要保證設(shè)備安裝環(huán)境內(nèi)的長(zhǎng)期溫度穩(wěn)定性偏差不超過1℃；其次,激光量熱儀的樣品架必須放置在絕熱樣品倉內(nèi),如圖3所示,樣品倉必須確保密閉性,倉壁夾層必須保持良好的保溫特性；此外,為確保測(cè)量溫度能夠準(zhǔn)確代表樣品表面溫度,測(cè)量溫度的傳感器要和樣品架接觸良好,并且在測(cè)量過程中需對(duì)箱體內(nèi)充高純氮?dú)?以降低氧含量,從而減小空氣吸收激光輻射所引起的溫升,避免測(cè)試精度收到影響。

與其它方法相比,激光量熱法具有很多優(yōu)點(diǎn)。首先,其測(cè)試原理基于直接的光熱轉(zhuǎn)換,更符合元件吸收過程的物理實(shí)質(zhì)；其次,激光量熱法獲得的吸收數(shù)據(jù)來自于對(duì)光學(xué)元件溫度的直接測(cè)量,不需要額外的標(biāo)定過程,消除了來自于此方面的不確定度重要來源；另外,它的測(cè)試光路相對(duì)簡(jiǎn)單,不像熱透鏡法那樣需要對(duì)泵浦激光和測(cè)試激光進(jìn)行精確的相對(duì)位置調(diào)節(jié),確保了測(cè)試的重復(fù)性。

然而,激光量熱法也存在一些問題。首先,該方法難以用于區(qū)分基板吸收和薄膜吸收,因此在考察薄膜的吸收特性時(shí),需在測(cè)試鍍膜樣品前,對(duì)未鍍膜基板進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量；其次,激光量熱法的測(cè)試過程比較緩慢,通常一個(gè)測(cè)試需要經(jīng)過包括前期環(huán)境穩(wěn)定、激光輻照、降溫等過程在內(nèi)的近一個(gè)小時(shí)的時(shí)間,在此期間內(nèi),對(duì)環(huán)境溫度、保護(hù)氣體的純度及溫度等都有嚴(yán)格的要求；另外,受擬合原理限制,目前激光量熱法對(duì)樣品的尺寸存在嚴(yán)格要求,不能隨意擴(kuò)展到任意大小、任意形狀的樣品。這些問題都是激光量熱法獲得更廣泛應(yīng)用所需進(jìn)一步解決的問題。

2.1.2 熱透鏡法

在熱透鏡法中,兩束激光同時(shí)照射在樣品表面上。如圖4和圖5所示,其中一束為應(yīng)用波長(zhǎng)的泵浦激光。在其照射下,元件會(huì)產(chǎn)生凸起形變,該凸起可近似簡(jiǎn)化為一個(gè)透鏡曲面,即“熱透鏡”。另一束激光對(duì)準(zhǔn)這一“熱透鏡”所在位置,可由探測(cè)器到觀察到泵浦激光輻照樣品前后,由“熱透鏡”處反射的探測(cè)激光的光強(qiáng)變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在一定條件下,反射至探測(cè)器的探測(cè)激光中心光強(qiáng)會(huì)隨熱透鏡厚度的改變呈線性變化［14］,而熱透鏡的厚度與薄膜的吸收率成正比［15］,因此表面熱透鏡技術(shù)可用于測(cè)量薄膜吸收。

通過對(duì)測(cè)試原理分析可知,熱透鏡法測(cè)得的信號(hào)對(duì)泵浦光與探測(cè)光的相對(duì)徑向偏移十分敏感,所以該方法可實(shí)現(xiàn)極小熱形變的探測(cè),原理上最小可分辨的元件表面熱變形為0.002 nm［16-17］。但這一優(yōu)點(diǎn)也可視作缺點(diǎn),因?yàn)樵跍y(cè)試光路中,兩路激光相對(duì)位置要求極其嚴(yán)格,探測(cè)激光與探測(cè)器必須嚴(yán)格準(zhǔn)直。因此,測(cè)量結(jié)果的精度嚴(yán)重依賴于兩束激光的相對(duì)位置,測(cè)試光路調(diào)試?yán)щy,測(cè)試穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性較差,測(cè)量參數(shù)難以優(yōu)化。

另外,熱透鏡法的最大問題在于這是一種間接的測(cè)量方法,其測(cè)量結(jié)果并非絕對(duì)的吸收數(shù)值。因此若想采用這一方法獲得準(zhǔn)確結(jié)果,必須采用其它方法（如激光量熱法）對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定。由于上述原因,目前熱透鏡法的應(yīng)用日益減少。

除了圖4和圖5所示的反射式熱透鏡法之外,還有一種透射式熱透鏡方法［18］。由于在這一方式下,對(duì)探測(cè)光透射信號(hào)的解析必須考慮很多額外的因素,除了光熱變形之外,還包括薄膜微形變、基板透射率、由于溫度梯度而形成的折射率梯度等影響,分析起來更加復(fù)雜。

2.1.3 光熱偏轉(zhuǎn)法

光熱偏轉(zhuǎn)技術(shù)由Boccara等人在1979年提出［19］。該技術(shù)的基本原理是：當(dāng)樣品受到脈沖泵浦激光照射時(shí),樣品對(duì)入射光的吸收導(dǎo)致樣品內(nèi)部產(chǎn)生與脈沖同步的周期性熱波。當(dāng)探測(cè)光入射到這一形變區(qū)域時(shí),其出射方向會(huì)受到樣品內(nèi)部由熱波引起的折射率空間變化的調(diào)制產(chǎn)生偏轉(zhuǎn),采用位置靈敏的探測(cè)器接收此偏轉(zhuǎn)信號(hào)就可以獲得關(guān)于樣品的信息。具體的實(shí)驗(yàn)原理圖如圖6所示。

光熱偏轉(zhuǎn)法的最大優(yōu)點(diǎn)在于泵浦光與探測(cè)光可分別靈活安排。在合適的光路配置情況下,可以不用進(jìn)行鍍膜前的預(yù)先測(cè)試,而直接實(shí)現(xiàn)薄膜吸收與體吸收的分離測(cè)量［20］。

與熱透鏡方法類似,偏轉(zhuǎn)法曾經(jīng)一度存在不能實(shí)現(xiàn)絕對(duì)測(cè)量的問題,在經(jīng)過Mühlig等人的改進(jìn)后,這一問題已獲得了解決［21］。目前,偏轉(zhuǎn)法存在的最大問題在于其精度：由于偏轉(zhuǎn)信號(hào)的大小不僅與耦合介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān),還與薄膜的層數(shù)和材料有關(guān),因此很難進(jìn)行準(zhǔn)確的標(biāo)定。光熱偏轉(zhuǎn)法在測(cè)量普通單層膜時(shí),精度約為10％～20％,在量定熱導(dǎo)率較大的單層膜時(shí)誤差甚至?xí)^40％［22］。另外,由于標(biāo)定方法的限制,該方法對(duì)樣品的尺寸有嚴(yán)格限制,也成為了這一方法獲得廣泛使用的重要障礙。

2.1.4 波前法

波前法基于1900年由哈特曼提出的波前探測(cè)技術(shù)。哈特曼方法通常被用于光波在傳播過程中波前質(zhì)量的高精度測(cè)量。哈特曼探測(cè)法的主要原理就是在通光口徑內(nèi)放置一個(gè)含有許多規(guī)律排列小孔的光闌,然后分別測(cè)量通過光闌的每束光信號(hào),就可以得到整個(gè)通光口徑內(nèi)光信號(hào)的波前信息。

近年來,哈特曼探測(cè)技術(shù)也被應(yīng)用于薄膜吸收測(cè)試中。這種方法的原理如下：令一束激光經(jīng)擴(kuò)束后透射被測(cè)樣品,在樣品后方利用哈特曼波前探測(cè)器接受透射信號(hào)；利用另一束泵浦激光從與探測(cè)光成一定角度的方向照射樣品時(shí),由于樣品的吸收,導(dǎo)致溫度升高產(chǎn)生熱變形,導(dǎo)致哈特曼波前探測(cè)器上接收的探測(cè)光波前信號(hào)發(fā)生變化；通過與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比標(biāo)定,就可以測(cè)出樣品的吸收大小。

由于這種方法是一種位相敏感的波前探測(cè)技術(shù),所以具有極高的精度,同時(shí)由于入射光在輻照樣品前經(jīng)過光闌擴(kuò)束,因此可直接獲得元件在大面積范圍內(nèi)的吸收特性,較其它方法更具潛力。

2.2 光熱探測(cè)技術(shù)在薄膜激光輻照特性研究中的應(yīng)用

利用激光量熱法可以直接測(cè)試光學(xué)薄膜樣品的吸收率大小。然而,在實(shí)際測(cè)試過程中,在高能激光的照射下,特別是在深紫外波段等特殊應(yīng)用中,光學(xué)薄膜會(huì)表現(xiàn)出一些特別的吸收特性。

2.2.1 光學(xué)薄膜的非線性吸收

研究發(fā)現(xiàn),在短波激光輻照下,光學(xué)元件會(huì)產(chǎn)生非線性吸收現(xiàn)象［23-24］,即材料對(duì)入射光的吸收率隨激光能量密度的增加呈非線性增長(zhǎng)。圖7顯示了熔石英材料在193 nm激光輻照條件下的非線性吸收。通常認(rèn)為,材料的非線性吸收效應(yīng)主要來自于多光子吸收。普通光源的多光子吸收極其微弱,幾乎不可觀測(cè)。但在短波如深紫外波段,雙光子吸收則不可忽視,從而引起了非線性吸收［25］。

進(jìn)一步研究表明,非線性吸收并非只產(chǎn)生于基底,膜層同樣會(huì)產(chǎn)生非線性吸收。Apel等人通過實(shí)驗(yàn)證明在193 nm準(zhǔn)分子激光照射下,Al2O3薄膜具有線性吸收及非線性吸收特性［26］。并且, Al2O3薄膜的線性吸收系數(shù)隨薄膜厚度呈線性增長(zhǎng),非線性吸收系數(shù)隨薄膜厚度增加成非線性增長(zhǎng)［25］。文中指出這種非線性吸收隨膜層厚度的非線性變化可能是雙光子吸收與色心吸收共同作用的結(jié)果。這個(gè)結(jié)果揭示了深刻的物理機(jī)制,指引了進(jìn)一步的研究方向。

2.2.2 激光輻照飽和劑量效應(yīng)

通常在同一測(cè)試條件下,樣品吸收率的測(cè)量數(shù)值應(yīng)相同。在實(shí)際測(cè)試中,由于劑量效應(yīng)現(xiàn)象［27-28］的存在,致使在同一測(cè)量條件下測(cè)得的樣品吸收率數(shù)值隨測(cè)量次數(shù)逐漸降低。當(dāng)激光照射劑量累積達(dá)到一定數(shù)值后,樣品的吸收率在該測(cè)試條件下不再隨測(cè)量次數(shù)變化。如圖8所示。對(duì)劑量效應(yīng)存在的原因,Balasa等人認(rèn)為是對(duì)樣品表面雜質(zhì)及吸附性有機(jī)物的清潔現(xiàn)象［29］；Mühlig等人則認(rèn)為是在193nm準(zhǔn)分子激光照射下,熔石英內(nèi)產(chǎn)生的E′（電子空穴）及ODC（氧缺陷色心）引起的［30］。當(dāng)對(duì)一樣品進(jìn)行吸收表征時(shí),若樣品存在劑量效應(yīng),同一測(cè)量條件對(duì)應(yīng)不同的吸收數(shù)值。因此在研究樣品吸收率與激光能量密度、照射頻率、照射時(shí)間的關(guān)系前,應(yīng)首先通過激光輻照使劑量效應(yīng)得到釋放［29］。

2.2.3 激光損傷

在激光光學(xué)系統(tǒng)中,光學(xué)薄膜所能承受的激光輻照劑量和功率是一定的。超過這個(gè)閾值,光學(xué)薄膜就會(huì)發(fā)生損傷。在高能激光系統(tǒng)的發(fā)展中,光學(xué)薄膜的激光損傷閾值逐漸成為瓶頸,因此如何提高光學(xué)薄膜的激光損傷閾值就成為了焦點(diǎn)問題。激光損傷的機(jī)理比較復(fù)雜,不同的激光輻照方式、光學(xué)薄膜的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和制備工藝,都會(huì)導(dǎo)致不同的激光損傷過程和機(jī)理［31-34］。如何正確探測(cè)薄膜的激光損傷,也成為了研究工作的先決條件。

激光損傷可分為兩種,一種是可直接由顯微鏡觀察到的可觀測(cè)損傷,另一種是無法采用成像方法觀測(cè)到,但可通過輻照過程中吸收增長(zhǎng)得出的不可觀測(cè)損傷。以往對(duì)激光損傷的研究均集中在可觀測(cè)損傷。Blaschke［28］等人通過對(duì)Al2O3薄膜吸收測(cè)量,從測(cè)量角度上測(cè)試到了不可見的薄膜的激光損傷,并得到了獲得薄膜激光損傷閾值方法。另外,徐俊海等人［35］研究了鍍膜工藝與對(duì)薄膜吸收的影響,并對(duì)薄膜樣品的吸收與激光損傷閾值之間的關(guān)系進(jìn)行比較。趙靈,張立超等人［36-37］研究了深紫外激光輻照下激光能量與累積劑量造成的光學(xué)薄膜的不可恢復(fù)的損傷現(xiàn)象。上述研究為光學(xué)薄膜的工作條件和耐輻射能力的有效評(píng)估提供了新途徑。

3 光聲法的發(fā)展及主要應(yīng)用

3.1 聲探測(cè)技術(shù)的基本情況

光聲技術(shù)最早可以追溯到1880年貝爾發(fā)現(xiàn)的光聲現(xiàn)象。隨著激光的出現(xiàn),激光成為激發(fā)超聲波的有力工具。光聲效應(yīng)是指當(dāng)物質(zhì)受到脈沖激光輻照時(shí),物質(zhì)因吸收光能而受到激發(fā)。受激原子或分子被激發(fā)到高能級(jí),在經(jīng)過一定的壽命之后,原子或分子躍遷回基態(tài),產(chǎn)生熱能,而這些熱能引起物體局部溫度隨激光脈沖而發(fā)生同步的周期性變化,引起物體及其相鄰區(qū)域發(fā)生熱脹冷縮而產(chǎn)生應(yīng)力,應(yīng)力的周期性變化產(chǎn)生了聲信號(hào),即光聲信號(hào)。光聲信號(hào)在物體表面?zhèn)鞑r(shí)表現(xiàn)出的特性與物體表面性質(zhì)相關(guān),因此可以利用光聲現(xiàn)象來對(duì)元件表面上的光學(xué)薄膜進(jìn)行表征。

光聲法測(cè)試薄膜器件的基本原理如圖9、圖10所示。激光照射到薄膜器件表面,產(chǎn)生聲信號(hào)。在單純的基底上,光致表面聲波是色散極小的,即傳播過程中聲波頻率近似一致。然而由于光學(xué)薄膜和基底的彈性性質(zhì)不同,使光致表面聲波在光學(xué)薄膜中傳播時(shí)發(fā)生了變頻色散。將聲信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換,就可以擬合得到聲信號(hào)傳播的色散曲線,從而擬合出含有薄膜密度、厚度、彈性模量等參數(shù)的結(jié)果。

眾所周知,聲波在物體中傳播時(shí),存在衰減現(xiàn)象。當(dāng)聲波頻率較低時(shí),聲波的衰減較小,穿透性能較好。當(dāng)聲波頻率升高時(shí),衰減上升,穿透性能較弱,傳播主要集中在物體表面。因此,為了探測(cè)薄膜器件,可以提高探測(cè)聲波的頻率,聲波的傳播性質(zhì)就基本由器件表面,也就是薄膜來決定。這樣,就可以利用激光誘導(dǎo)高頻聲波,對(duì)光學(xué)薄膜的楊氏模量［38］、殘余應(yīng)力［39］以及缺陷［40］和吸收［41］等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。

3.2 光聲探測(cè)技術(shù)在薄膜表征中的應(yīng)用

3.2.1 光學(xué)薄膜吸收測(cè)試

目前利用光聲法檢測(cè)薄膜吸收的方法主要有兩類：第一類［11］將待測(cè)薄膜器件安裝到密封光聲池內(nèi)的樣品架上,令周期性的入射光照射到樣品上。樣品對(duì)入射光產(chǎn)生吸收后,溫度升高發(fā)生熱變形,或者是溫度升高引起光聲池內(nèi)的氣體發(fā)生熱膨脹。這兩種效應(yīng)會(huì)共同導(dǎo)致光聲池內(nèi)的氣壓隨著周期性的入射光而發(fā)生周期性的變化,產(chǎn)生聲信號(hào)。再利用靈敏的聲音探測(cè)器和放大器接收、處理信號(hào),就可以測(cè)量薄膜器件的吸收。第二類將壓電類傳感器直接連接在樣品上,周期性入射的激光引起樣品周期性形變,同樣會(huì)激發(fā)聲波,傳播到壓電類傳感器上即可產(chǎn)生電信號(hào)。將電信號(hào)進(jìn)行處理,然后與已標(biāo)定的樣品進(jìn)行對(duì)比,即可測(cè)得光學(xué)薄膜的吸收。兩類方法比較,前者的優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行無接觸式測(cè)量,但是需要專門的樣品池。后者則在實(shí)驗(yàn)裝置上要簡(jiǎn)便很多。

然而,光聲信號(hào)在光學(xué)薄膜中的傳播機(jī)理也非常復(fù)雜,受到諸如薄膜材料、層數(shù)、基板性質(zhì)等諸多因素的影響,標(biāo)定也很困難。因此,光聲方法目前更適用于相對(duì)測(cè)量,并沒有成為測(cè)量短波光學(xué)薄膜吸收絕對(duì)值的主要方法。而在吸收較為微弱的紅外波段,已有利用此類方法對(duì)光學(xué)薄膜的吸收進(jìn)行了測(cè)試的報(bào)道［41］。

3.2.2 薄膜楊氏模量檢測(cè)

在對(duì)包括薄膜在內(nèi)的材料的力學(xué)表征中,楊氏模量是一項(xiàng)重要的參數(shù)。光聲法的特殊原理決定了這種方法非常適用于薄膜材料楊氏模量的非破壞性測(cè)試。

1.在當(dāng)前全面開展旅游經(jīng)濟(jì)的管理活動(dòng)時(shí)，企業(yè)必須注重融入系統(tǒng)化的時(shí)代元素以及文化創(chuàng)意，在整合旅游產(chǎn)業(yè)資源的基礎(chǔ)上，全面推進(jìn)整個(gè)管理活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)全面創(chuàng)新。在進(jìn)行旅游經(jīng)濟(jì)的管理活動(dòng)時(shí)，國家既要注重立足于大眾的旅游習(xí)慣，又要聚焦時(shí)代特點(diǎn)，在豐富管理元素的基礎(chǔ)上，為旅游經(jīng)濟(jì)管理的科學(xué)創(chuàng)新搭建高效平臺(tái)。

通過測(cè)量表面聲波在光學(xué)薄膜器件中傳播的色散曲線,在已知薄膜材料厚度的情況下,就可以同時(shí)擬合得到光學(xué)薄膜的楊氏模量和密度。目前已有大量關(guān)于此方面的研究［42-43］,如徐曉東等人利用光差分技術(shù)檢測(cè)基底表面薄膜的楊氏模量［44］,金寶印等人利用光偏轉(zhuǎn)表面聲波方法測(cè)量薄膜的楊氏模量［45］等。圖11為采用Lawave表面聲波檢測(cè)方法獲得的、在深紫外光刻系統(tǒng)［46-47］中經(jīng)常使用的不同工藝的典型氟化物薄膜的楊氏模量檢測(cè)結(jié)果,其中熱蒸發(fā)方法制備的LaF3楊氏模量約為75 Gpa,MgF2楊氏模量約為140 Gpa,均與其體材料數(shù)值相當(dāng),說明薄膜為理想的致密結(jié)構(gòu)。

光聲法的應(yīng)用不僅限于此,還可擴(kuò)展到一些其它應(yīng)用,比如某些特殊的軟性薄膜材料的楊氏模量測(cè)試。由于傳統(tǒng)的接觸式彈性測(cè)試方法只能測(cè)試楊氏模量較大的硬質(zhì)材料。但如果薄膜材料很軟,采用傳統(tǒng)壓痕測(cè)試方法,得到的載荷-位移曲線就會(huì)偏離正常的形狀。隨著光學(xué)薄膜的發(fā)展,出現(xiàn)了許多柔性功能薄膜。對(duì)它們進(jìn)行楊氏模量測(cè)試成為了難題。光聲探測(cè)法則可以滿足這樣的測(cè)試需求。由于光聲法采取非接觸式測(cè)量,所以即使薄膜材料很軟,激光誘導(dǎo)聲波也可以在表面自然傳播,并最終被探測(cè)器所檢測(cè)。Juequan等人利用光聲法測(cè)試了極紫外波段工作的柔性碳薄膜的楊氏模量［48］,Dieter等人利用光聲法測(cè)試了柔性聚合物薄膜的楊氏模量［49］,并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)利用傳統(tǒng)納米壓痕法獲得的結(jié)果存在不可忽視的誤差（圖12）。

3.2.3 薄膜殘余應(yīng)力檢測(cè)

聲表面波在無應(yīng)力的薄膜器件表面?zhèn)鞑r(shí),速度分布是均勻的。當(dāng)薄膜存在殘余應(yīng)力時(shí),聲表面波傳播速度的二維分布就會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。Hirao等人從聲彈性理論出發(fā),給出了表面波的速度的相對(duì)變化與材料表面的殘余應(yīng)力分布的關(guān)系［50］,只要測(cè)量出薄膜器件的表面波聲速變化的分布,就可以檢測(cè)出表面殘余應(yīng)力的分布。

隨著激光鎖模調(diào)Q等技術(shù)的發(fā)展,人們已經(jīng)可以得到納秒級(jí)的短脈沖激光。這種激光很容易誘導(dǎo)出高頻的聲信號(hào)。Doxbeck等人利用光致聲波來測(cè)量材料的殘余應(yīng)力［39］。目前,光聲法已成為和XRD衍射法、應(yīng)力雙折射法并列的光學(xué)薄膜應(yīng)力常用測(cè)量方法。

在光學(xué)薄膜發(fā)生損傷之后,由于薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分布發(fā)生變化,在其中傳播的聲信號(hào)的分布也會(huì)隨之發(fā)生較大的改變。因此光聲法檢測(cè)光學(xué)薄膜的損傷的一種實(shí)用、高效的手段［40］。

實(shí)際應(yīng)用光聲法探測(cè)薄膜損傷時(shí),存在一個(gè)矛盾。光學(xué)薄膜內(nèi)部發(fā)生缺陷時(shí),當(dāng)波長(zhǎng)與缺陷尺度相當(dāng)?shù)穆暠砻娌▊鞑ブ寥毕莞浇?聲波的傳播就會(huì)發(fā)生明顯的變化。然而薄膜缺陷是極其微小的,這樣就需要探測(cè)聲波具有足夠高的頻率。前文中介紹過,高頻率的聲波在物體中衰減很快,因此探測(cè)的范圍很小。而薄膜缺陷的發(fā)生位置恰恰是不確定的,探測(cè)時(shí)需要進(jìn)行較大范圍的探測(cè)。A.K.Kromine和Y.Sohn［51-52］等人提出了掃描激光源方法,解決了這個(gè)問題。這種方法的原理是令高頻激光源在待測(cè)薄膜器件上掃描,當(dāng)激光源接近薄膜損傷的位置時(shí),固定安置在薄膜器件較遠(yuǎn)位置的探測(cè)器就會(huì)接收到差異顯著的信號(hào),從而判別薄膜損傷的位置。

4 結(jié)束語

近年來,隨著光學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量也越來越高。在高精度的光學(xué)系統(tǒng)中,光學(xué)薄膜的性能更是至關(guān)重要,成為了系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。隨著薄膜的性能逐步提高,與之相匹配的高精度檢測(cè)技術(shù)也隨之跨越式發(fā)展。光熱法和光聲法以其新穎的測(cè)試原理、極高的檢測(cè)精度、廣泛的應(yīng)用范圍,獲得了越來越重要的應(yīng)用。在傳統(tǒng)測(cè)試方法難以解決的薄膜吸收、力學(xué)性質(zhì)以及長(zhǎng)期環(huán)境適應(yīng)性等方面的檢測(cè)中,光聲法和光熱法都擁有出色的表現(xiàn)。相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,光熱法和光聲法現(xiàn)存的一些缺點(diǎn)和問題也將被逐漸被優(yōu)化和解決,而且可以利用光熱法和光聲法進(jìn)行表征的參數(shù)也將與日俱增。光聲法和光熱法將成為更加強(qiáng)有力的工具,在光學(xué)薄膜全方位測(cè)試中發(fā)揮更大的效力。

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武瀟野（1988-）,男,內(nèi)蒙古興安盟人,碩士,研究實(shí)習(xí)員,2010年、2012年于北京理工大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士學(xué)位,主要從事深紫外薄膜方面的研究。E-mail：wxy19881107@163.com

時(shí) 光（1985-）,女,黑龍江雞西人,碩士,助理研究員,2008年、2011年于電子科技大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士學(xué)位,主要從深紫外薄膜方面的研究。E-mail：nrconnie@163.com

張立超（1979-）,男,吉林省吉林市人,博士,副研究員,2000年、2003年于吉林大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士學(xué)位,2007于中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位,主要從事短波光學(xué)薄膜技術(shù)方面的研究。E-mail：zhanglc@sklao.ac.cn

Optical-thermal and optical-acoustics detecting techniques applied for the characterizations of high performance optical thin films

WU Xiao-ye*,ZHANG Li-chao,SHIGuang
（State Key Laboratory of Applied Optics,Changchun Institute of Optics,FineMechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China）
*Corresponding author,E-mail：wxy19881107@163.com

In this paper,the basic principle of the optical-thermal and optical-acoustics detectingmethods is reviewed.The common optical-thermal and optical-acoustics detectingmethods are described.Combined with specific applications such as absorption test of optical films,characterization of laser irradiation and laser damage to the thin films and characterization of the mechanical properties of thin films,some typical detecting methods are analyzed including laser calorimetry technique,photothermal deflection technique,surface acoustic waves and so on.The advantages and disadvantages of thesemethods are indicated.Finally,some achievement in the field by thesemethods are summarized,and the prospect of thesemethods is presented.

optical-thermal method；optical-acoustics method；laser calorimetry；laser irradiation；detecting technique

A

10.3788/CO.20140705.0701

2095-1531（2014）05-0701-11

2014-06-12；

2014-08-15

國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目（No.2009ZX02205）