镀膜参数测试—膜层吸收——积分球法、激光热量测定法、光热偏转法

1   膜层材料的吸收

《光学薄膜的常见功能(HR、AR、BS、AT、FI、PBS、PC)》

《光学薄膜原理、设计软件与镀膜技术》

《膜层参数测试—透过率与反射率》

在上一篇中我们提到，光学膜层的透过率、反射率与吸收之和是常数1。意味着光束在经过膜层后，一部分被透过去了，一部分被反射走了，剩下的就是被膜层吸收掉了。当入射光束能量较强时，膜层表面会吸收光的能量，产生热量的积聚，元件表面温度会明显升高，导致镜片材料的折射率和面形随之发生变化，从而增大了光学系统的像差，导致像质变差，极端情况下，会导致光学系统无法工作的情况发生，因此，膜层的吸收效应需要引起光学工作者足够的重视。吸收量通常以ppm为单位，即百万分之一（partper million），根据应用场景的不同，光学表面允许的面吸收在几十到几百ppm范围内。

在本篇中，我们将介绍测试膜层吸收的常见方法，包括积分球法、激光热量测定法和光热偏转法三种方法，来让大家对表面吸收的控制有更多的了解。

2   积分球法

积分球法是测试样品吸收值的经典方法，该方法利用积分球可以同时将样品的透过率和反射率测量出来，通过与常数1相比较，获得样品的吸收量，该方法的原理图如下所示：

在上图中，将被测样品放置到积分球内，且在探测器的视场之外。被测样品可以做一定角度的转动，来实现不同入射角度的测试。样品的装夹装置，需要镀上与积分球的内壁一样的漫反射膜，来实现对测试尽可能少的干扰。测试需要分两步进行，首先是积分球内不放样品，做一次测试，获得空腔下的探测器能量，随后是将样品放置到积分球内，做第二次测试，这样测量结果中就包含了样品的反射率和透过率信息，利用反射率、透过率与吸收之和为1的关系，计算得到样品吸收的大小。

3   激光热量测定法（Laser calorimetry）

激光热量测定法是一种确定光学样品在特定激光下吸收值的方法，它通过高精度的测定样品的温度变化，来得到样品对光能量的吸收大小，该方法既可以用来分析光学材料的吸收，也可以用来分析膜层的吸收，其原理如下图所示：

上图中，最左端是一个激光器，激光器发出的光束，经过衰减器后，可以有更合适的能量，光束经过空间滤波和扩束后，进入一个热隔离装置中，这个热隔离装置内部的温度与装置外面是完全隔绝的，测试时，将被测样品放置到装置中，并在样品的周边放置一组精密的热敏电阻，在光束照射下，样品的温度升高，此时样品的有效热容以及照射在样品处的激光功率Φi会被精确测量，从而得到样品的绝对吸收率。热敏电阻通常采用负温度系数热敏电阻（NTCs，Negative Temperature Coefficient resistors），它的电阻值会随温度的升高而减小，具备1mK的温度灵敏度，可以实现温度的绝对量测试。通常情况下，该方法测量吸收的分辨率为0.1ppm。

该方法的测试精度跟热敏电阻相对于样品的位置有关，热敏电阻在不同的位置时，会有不同的读数，另外，该方法也跟光束的照射时间有关，通常照射时间需要足够长时，才会引起样品表面温度的变化，从而被热敏电阻探测到，因此，该方法实际的测量时间会比较长。

4   光热偏转法（PTD，photothermal deflection）

光热偏转法需要2个光束，分别是泵浦光束和测试光束。泵浦光可以是脉冲光束或光强周期性变化的连续光束，泵浦光照射到被测样品上，会产生三种效应，首先，因为样品被照射，所以表面温度会升高，使得样品表面产生一定程度的变形，其次，样品的浅表层会形成稳定的周期性调制热源，因为材料折射率与温度有关，所以使得样品浅表层产生了时变频率与激光的调制频率相同的折射率梯度场。最后，热波向空气中传播时，在样品表面的空气层中也会建立周期性调制的温度梯度，从而在空气中也产生了同等频率的折射率梯度场。

测试光束是另外的一束光，它或者是垂直于样品表面入射，或者是平行于样品表面入射。受到样品变形处折射率梯度的影响，测试光束会在与泵浦光束相交的位置发生传播方向的偏折，偏折角度的大小与样品表面的温度梯度成正比，通过对该偏折方向角进行测试，可以获得样品吸收能量的大小。

与之前提到的激光热量测定法相比，光热偏转法可以在短周期时间内测得吸收值，所以具备更高的时间灵敏度。然而，由于记录的光热信号是所研究样品的光学、热和热弹性特性的复杂函数，所以对光热偏转法的测量数据进行校准是困难的，该方法只能获得吸收的相对数值。因此，实际中，可以将激光热量测定法与光热偏转法相结合，这样就可以实现在较短的测量时间内对吸收做绝对量测试了。

5   结语

在本文中，我们对镀膜样品吸收值的测试方法做了介绍，本文首先介绍了测试吸收值的必要性，在对光学系统要求较高的场合，膜层吸收值是需要被测试和评估的。文中介绍了测试吸收值的三种方法，分别是积分球法、激光热量测定法和光热偏转法。积分球法通过测试样品的透过率和反射率，来间接获得样品的吸收值。激光热量测定法利用高灵敏度的热敏电阻，可以测试得到样品的绝对吸收值，但是测试时间会较长。光热偏转法利用测试光束在样品附近的偏转角度的变化来间接得到样品的吸收值，具有测量便捷的特点。三种方法各有特点，实际中可以根据具体需求来选用。

6 出处

宁静吉光

作者QQ及微信：49922779