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基于散射测量的光学元件表面质量评估方法研究
张科鹏
Subtype博士
Thesis Advisor官春林
2019-05-19
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral中国科学院光电技术研究所
Degree Name工学博士
Degree Discipline测试计量技术及仪器
Keyword光学元件+光学薄膜+光散射
Abstract

随着高功率激光装置、紫外光刻、红外光学探测及激光传输等领域的快速发展,对光学薄膜器件的性能提出了越来越高的要求,而薄膜器件的光学损耗是限制其特性的主要因素之一。通过对光学元件表面质量进行评估,确定影响因素进而改善光学元件抛光工艺和镀膜工艺,对降低薄膜光学损耗具有重要意义。本文主要研究利用散射测量对光学元件表面质量进行评估的方法。近年来,光散射测量技术已经迅速发展,它具有无接触、可靠、高分辨率、高鲁棒性等优势,且可实现对大口径光学元件表面的快速检测。此外,由于实验测得的散射数据是元件表面所有造成散射因素的综合,这意味着添加合理的边界约束条件对测得的散射数据求逆,可同时获得元件表面多种缺陷信息,从而达到评估光学元件表面质量的目的因此,本论文通过对光学元件表面粗糙度和疵病的散射、光学薄膜的表面散射和体散射、及光散射测量技术进行深入的理论研究和应用研究,并取得一系列创新性成果。

第一,针对不含薄膜光学元件,提出更具一般性的Beckmann-Kirchhoff表面散射模型。目前,广泛应用于实际的随机粗糙表面散射理论有三个,其中Rayleigh-Rice理论限制于光滑表面,Beckmann-Kirchhoff理论仅适用于高斯分布粗糙表面,且限制于近轴假设,Harvey-Shack理论的可应用范围最广,但不提供解析解。基于Harvey-Shack理论,我们对Beckmann的表面散射模型进行了修正,并将其推广至与Harvey-Shack理论有相近的适用范围。由于提供解析解,修正Beckmann-Kirchhoff模型可用于快速计算二维随机粗糙表面的散射特性。

第二,提出不含薄膜光学元件表面疵病的散射模型。以光学元件表面疵病的现有国内外评价标准为基础,建立光学元件表面疵病的统计模型,结合修正Peterson疵病散射理论,提出了光学元件表面疵病的散射模型,进而讨论了光学元件表面疵病的散射特性与表面质量之间的定量关系。

第三,针对已镀膜光学元件,以修正Beckmann-Kirchhoff散射模型为基础,首次提出了光学薄膜的一阶非近轴标量散射理论。该理论可适用于光学薄膜表面散射和体散射角分布的计算,弥补了现有多层膜标量散射理论难以计算散射分布的不足。与经典矢量理论相比,它的优势是:基于传统衍射光学的概念建立,更容易进行拓展;不仅适用于单粗糙界面和高质量薄膜,还适用于质量较差的多层膜散射特性研究。进一步地,针对减散射光学薄膜的设计方法也进行了讨论。

第四,设计了可获取光学元件表面多种缺陷信息的总散射测量仪。基于修正Beckmann-Kirchhoff表面散射模型,建立了测量不含薄膜光学元件表面均方根粗糙度的数学模型;基于修正Beckmann-Kirchhoff模型和光学元件表面疵病的散射模型,建立了测量不含薄膜光学元件表面疵病质量的数学模型;基于一阶非近轴标量散射理论,建立了测量镀膜元件膜层界面相关度的数学模型。基于这些模型,采用镜面反射总散射的测量原理,设计了可提供光学元件表面多种缺陷参数的总散射测量仪,同时对本仪器的设计思想、设计方案、测量方法及关键器件设计方法进行了阐述。

MOST Discipline Catalogue工学
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.ioe.ac.cn/handle/181551/9092
Collection光电技术研究所博硕士论文
Recommended Citation
GB/T 7714
张科鹏. 基于散射测量的光学元件表面质量评估方法研究[D]. 中国科学院光电技术研究所. 中国科学院大学,2019.
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