分光镜(beam splitter BS)的原理

一、基本原理

• 分光镜是基于光的折射和反射原理工作的光学元件。它通常由玻璃或其他光学材料制成，表面镀有特殊的光学薄膜。

• 当一束光入射到分光镜上时，根据光的波动理论，光在两种不同介质（分光镜材料和周围介质）的界面上会发生反射和折射现象。

• 对于未镀膜的分光镜，其反射和折射光的比例由两种介质的折射率决定。例如，当光从空气（折射率约为1）进入玻璃（折射率一般在1.5左右）时，会有一部分光反射，一部分光折射进入玻璃。

二、镀膜原理

• 为了实现特定的分光比（反射光和折射光的比例），分光镜表面会镀上多层光学薄膜。这些薄膜的厚度通常是光波长的四分之一的奇数倍。

• 通过控制薄膜的材料（如氟化镁、二氧化钛等）和厚度，可以改变光在薄膜层间的干涉效果。当光在薄膜层间反射和折射时，特定波长的光会由于干涉相长或相消而被增强或减弱，从而实现对不同波长光的分光功能。

• 例如，在一个50%反射、50%透射的分光镜中，镀膜的设计使得在特定波长下，反射光的强度和折射光的强度大致相等。

三、分光镜的功能

1. 分光功能

• 分光镜最主要的功能是将一束光分成两束或多束具有特定比例的光。这包括将一束光分成反射光和透射光两部分，或者在更复杂的设计中，将光分成多个不同方向和强度的光束。

• 例如，在光谱分析中，分光镜可以将复合光（如太阳光）分解成不同波长的单色光，便于对光的成分进行分析。

2. 波长选择功能

• 可以根据需要选择特定波长的光。通过设计合适的镀膜，分光镜可以反射或透射特定波长范围的光，而对其他波长的光则有不同的处理方式。

• 这在激光技术中应用广泛，例如在激光谐振腔中，分光镜可以作为输出耦合镜，只允许特定波长和强度的激光输出，同时将其他波长的光反射回腔内继续振荡。

3. 光束转向功能

• 分光镜可以改变光束的传播方向。在一些光学仪器中，通过合理布置分光镜，可以将光束引导到不同的光路中，实现光信号的多路传输或处理。

四、在半导体量测上的运用

1. 光刻过程中的光强监测

• 在半导体光刻工艺中，精确控制曝光光源的光强至关重要。分光镜可以将光刻光源的光分出一部分到光强监测器。

• 例如，在深紫外光刻（DUV）中，分光镜将DUV光分成两部分，一部分继续用于光刻曝光，另一部分被反射或透射到光探测器上，实时监测光强变化，确保光刻过程的稳定性和准确性。

2. 光学薄膜厚度测量

• 在半导体制造中，会在晶圆表面沉积各种光学薄膜。分光镜可以用于测量这些薄膜的厚度。

• 利用分光镜将测量光分成两束，一束作为参考光，另一束经过晶圆表面反射后与参考光发生干涉。通过分析干涉条纹的变化，可以精确测量薄膜的厚度，因为薄膜厚度的变化会导致反射光的光程差变化，进而影响干涉条纹。

3. 半导体材料的光谱分析

• 用于对半导体材料进行光谱分析。分光镜将光源发出的光分解成不同波长的光，照射到半导体样品上。

• 通过检测半导体样品对不同波长光的吸收、反射或透射情况，可以分析半导体材料的能带结构、杂质含量等特性。例如，在分析硅材料中的掺杂元素时，不同元素会在特定波长下产生吸收峰，通过分光镜分解光和光谱仪检测，可以确定掺杂元素的种类和浓度。

《光学测量原理、技术与应用》

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