前言光學鍍膜和鍍膜技術經(jīng)過多年發(fā)展，在設計、生產(chǎn)和表征工藝方面已非常成熟?，F(xiàn)在，光學鍍膜已非常普及，從研究和空間光學到消費品和工業(yè)的應用中都能找到它的身影。光學鍍膜應用廣泛，包括眼鏡、建筑和汽車玻璃、照明和燈光系統(tǒng)、顯示器、濾光片、專業(yè)反射鏡、光纖和通信，以及醫(yī)用光學。光學鍍膜的性能取決于鍍膜的規(guī)格和基底材料。設計和制造高質(zhì)量多層光學鍍膜不僅需要精確測量最終生產(chǎn)組件，還需要精確測量薄膜層中材料的光學常數(shù)。這些測量結(jié)果能夠用于（有時）非常復雜的多層鍍膜的詳細設計。在生產(chǎn)結(jié)束時和生產(chǎn)過程中的測量結(jié)果也可以用于光學鍍膜的逆向工程，提供有關設計制造工藝的反饋[1]。逆向工程的主要目的是檢測單層參數(shù)中的系統(tǒng)誤差和隨機誤差，有助于改善層控制，優(yōu)化光學鍍膜沉積。

光學鍍膜的可靠逆向工程關鍵取決于對反射率和透射率的準確測量。過去，這類測量局限于垂直入射時的透射率 (T) 和/或接近垂直入射時的反射率 (R) 數(shù)據(jù)。正如預期的那樣，隨著鍍膜數(shù)量的增加，多層逆向工程的不準確性也有所提高。一般而言，通過更多的數(shù)據(jù)測量可以盡可能減少逆向工程中的不準確性。在一系列入射角 (AOI) 下進行的 T 值和 R 值測量，對于薄膜材料的表征和多層鍍膜的逆向工程都很有價值。大多數(shù)典型的逆向工程涉及與研究的鍍膜相關的垂直或接近垂直入射 T 和R 數(shù)據(jù)的詳細數(shù)值分析。雖然該方法在實驗上很簡單，但由于接近垂直的 T 和 R 數(shù)據(jù)集中可用的信息有限，加上那些數(shù)據(jù)集中測量誤差的影響，可能會導致結(jié)果不可靠[1]。特別是來自寬帶反射器的反射率數(shù)據(jù)或來自寬帶防反射 (AR) 鍍膜的透射率數(shù)據(jù)，可以被視為此類低信息數(shù)據(jù)集的示例。過去，簡單的垂直入射 T 值測量可以使用各種分光光度計實現(xiàn)，并且接近垂直入射 R 值測量可通過安裝適當?shù)姆瓷涓郊灶愃频姆绞綄崿F(xiàn)。

本應用簡報中使用自動雙光束 UV-VIS-NIR 多角度分光光度計 Cary 7000 全能型分光光度計 (UMS) 展示了一種新型多角度光度光譜法，介紹了用于創(chuàng)建光譜分束器的多層鍍膜和不同基底上兩個 43 層四分之一波長膜堆反射鏡的測量示例，以及通過獲得的多角度光譜光度數(shù)據(jù)集實現(xiàn)的逆向工程分析。

實驗部分樣品三種不同鍍膜的測量結(jié)果摘自 Amotchkina 等人的工作結(jié)果[2]。第一種鍍膜 BS-AR-Suprasil 是一種專用分束器，設計用于 45°的傾斜 AOI。將 52 層反射器沉積在 1 mm 厚的透明石英基底上。前表面鍍膜規(guī)格要求在 935 nm 與 945 nm 之間的光譜透射率曲線大于 98% T，且在 967 nm 與 971 nm 之間大于 98% R。此外，在后表面上沉積了 10 層寬帶 AR 鍍膜。光學鍍膜通常由不同厚度的高折射率和低折射率材料的交替層疊而成。對于第一個樣品，所用的高折射率材料為五氧化二鈮 (Nb2O5)，低折射率材料為二氧化硅 (SiO2)，使用 LeyboldOptics GmbH Helios 磁控濺射系統(tǒng)進行鍍膜沉積。第二個和第三個樣品均為由 43 層四分之一波長膜堆構成的高反射器，該反射器的設計波長為 800 nm。鍍膜沉積在兩種不同類型的基底上：6.35 mm 厚的熔融石英和 1.0 mm厚的 B260 玻璃。樣品名稱分別為 HR800-FusedSilica 和HR800-Glass。這些鍍膜中使用的高折射率材料為二氧化鉿(HfO2)，使用的低折射率材料為二氧化硅 (SiO2)，在 LeyboldOptics GmbH SYRUSPro 710 鍍膜機中使用電子束蒸發(fā)進行鍍膜沉積。

儀器采用 Cary 7000 UMS（一款高度自動化的可變角度絕對鏡面反射率和透射率紫外-可見-近紅外分光光度計）來獲取成品鍍膜的反射率和透射率。用戶可以使用 Cary 7000 UMS 對樣品 AOI 和檢測器角度定位進行自動化獨立電動控制，請參見圖 1。這種對樣品 AOI 和檢測器位置的獨立控制可實現(xiàn)對光學多層鍍膜的快速、準確和自動化測量。傳統(tǒng)上，反射率和透射率測量使用不同的分光光度計附件進行。這樣會導致測量反射率和透射率的樣品部位不同。沉積工藝雖然嚴格受控，但并非美，薄膜沉積的厚度不均勻。因此，隨著鍍膜厚度的變化，整個表面上的反射率和透射率測量結(jié)果可能會有所變化。在 Cary 7000 UMS 問世以后，現(xiàn)在可以在從 R 測量模式切換到 T 測量模式時，測量樣品表面上同一點的 R 和 T 值，無需移動樣品。此外，樣品可以旋轉(zhuǎn)180°，實現(xiàn)正向和逆向靜態(tài)透光率的測量。反射率測量中的AOI 可以類似的方式改變至樣品法線的任一側(cè)，并且可以移動檢測器，以便在 ±AOI 下進行 R 值測量。在任何一種情況下，R 和 T 值都可以從同一點測量，無需移除和替換分光光度計中的樣品或更換為其他附件。

沉積時層厚度的細微變化，以及不同鍍膜條件下所用材料的光學特性變化會導致光學鍍膜的整體性能無法滿足原始設計意圖。光學鍍膜的設計和分析使用精密的計算機軟件包完成，這些軟件包依賴于對各層物理厚度和構建鍍膜的材料的光學常數(shù)的準確獲取。本文所述的三種鍍膜使用 OptiLayer 進行設計。OptiLayer 是一套軟件，由設計多層鍍膜、預測性能、表征光學材料，以及根據(jù)測量的透射率和反射率數(shù)據(jù)對鍍膜進行逆向工程的模塊組成。一些現(xiàn)代鍍膜機具有監(jiān)測鍍膜沉積時垂直入射透射率的裝置[3-4]。這些在垂直入射條件下進行的原位測量可用作預測沉積鍍膜的最終設計傾斜入射性能的基礎。使用 OptiLayer 對這些原位數(shù)據(jù)進行詳細分析，通常顯示反射率和透射率譜帶的定位與原始設計大體一致。但是，原位垂直入射測量不能真正替代成品鍍膜的實際傾斜角 R 和 T 的測量。在他們的文章中，Amotchina等人描述了使用 Cary 7000 UMS 進行的測量如何幫助他們實現(xiàn)對沉積鍍膜的逆向工程，進而使用原位測量微調(diào)鍍膜工藝，以期更符合鍍膜的原始設計意圖。在 BSAR-Suprasil 分束器的示例中，主要的不確定性在于各層的厚度，因為 Nb2O5 和 SiO2 的光學特性已經(jīng)得到了充分的了解。本研究采用 Cary 7000 UMS 對鍍膜后的樣品進行測量。鍍膜規(guī)格要求分束器在 45° AOI 下使用。Cary 7000 UMS 可以從樣品表面的同一部位測量多個不同 AOI 下的 R 和 T 值。增加數(shù)據(jù)集中的測量次數(shù)（更多 AOI）有助于降低鍍膜結(jié)果逆向工程的不確定性，這些數(shù)據(jù)和分析，可以與原位測量關聯(lián)起來，為鍍膜沉積構建優(yōu)化策略。最后，使用 Cary 7000 UMS進行測量，驗證優(yōu)化效果。

圖 2 比較了優(yōu)化的 BSAR-Suprasil 分束器在 45° AOI 時的預測和實測光譜透射率（圖 2(a)）。使用 Cary 7000 UMS 進行非偏振透射率測量。理論曲線 (Optilayer) 與實測數(shù)據(jù)點之間的光譜一致性很高。峰高的差異主要來自用于采集實測數(shù)據(jù)的光譜帶寬。實驗中還進一步測量 30° AOI 下 BSAR-Suprasil 樣品的 S和 P 入射偏振光透射率，該數(shù)據(jù)與預測的光譜透射率一起顯示在圖 2(b) 中。測量值與理論值之間同樣一致性很高。在 45°和 30° 的傾斜 AOI 下進行的這些測量與模型預測之間的高度一致性，驗證了基于原位垂直入射透射率測量來優(yōu)化鍍膜沉積的逆向工程和模型改進。測量的第二個和第三個樣品為設計成傾斜入射高反射器的多層四分之一波長堆膜反射鏡的示例。每個反射鏡由 43 層四分之一波長交替的二氧化鉿（HfO2 ― 高折射率材料）和二氧化硅（SiO2 ― 低折射率材料）組成。樣品之間的區(qū)別在于所用基底的類型和厚度：HR800-FusedSilica ― 6.35 mm 厚的熔融石英；HR800-Glass ― 1 mm 厚的 B260 玻璃。在這些鍍膜中，需要同時考慮二氧化鉿的光學特性和單層厚度的不確定性。該反射鏡同樣設計用于 45° 傾斜 AOI 的非偏振入射光。

結(jié)論結(jié)果表明，Cary 7000 UMS 可作為測量和表征復雜多層光學鍍膜的重要工具。Cary 7000 UMS 可獨立、自動化控制樣品旋轉(zhuǎn)和檢測器位置，具有無需移動樣品即可測量不同角度下反射率和透射率的能力。自動偏振器設備提供了額外的優(yōu)勢，能夠同時處理 S 和 P 偏振光測量，所有入射光都是在樣品表面相同的位置完成測量。Cary 7000 UMS 便捷易用，可在無人值守的情況下運行并生成準確數(shù)據(jù)，是光學鍍膜 QA/QC 環(huán)境的理想候選方案。Amotchkina 等人展示了光學鍍膜的多角度準確測量對于復雜光學鍍膜的準確表征、控制和優(yōu)化的價值。此類測量支持在鍍膜沉積中采用復雜的優(yōu)化策略并驗證優(yōu)化策，特別是對于傾斜入射應用的鍍膜。這些策略通常涉及在垂直入射條件下進行原位測量，然后僅根據(jù)有限的數(shù)據(jù)集對鍍膜進行逆向工程。Cary 7000 UMS 可提供一系列角度的準確測量結(jié)果，實現(xiàn)優(yōu)化和驗證。