K9玻璃基底的宽光谱特性椭偏法研究

唐帆斌

（南宁学院 公共教学部，南宁 广西 530200）

K9玻璃是用K9料制成的玻璃制品，主要用于光学镀膜等领域，其中K9的化学组分为：SiO2=69.13%，B2O3=10.75%，BaO=3.07%，Na2O=10.40%，K2O=6.29%，As2O3=0.36%。K9玻璃在可见光到近红外光谱范围内具有较高的透过率，被广泛用作各类光学仪器的基底材料[1]。关于K9玻璃各方面性质的研究大部分集中在激光对K9薄膜的抗激光损伤阈值上，包括采用连续激光对K9玻璃进行损伤研究[2][3]，以及采用脉冲激光进行损伤研究[4]。椭偏法测量优点众多，采用椭偏仪分析K9玻璃光学特性的研究比较少，对于材料的基本光学特性的研究对后续各方面特性的研究有着很好的促进作用。本文使用德国SENTECH生产的SE850反射式光谱型椭偏仪得了K9玻璃样品在380nm～2300nm宽光谱范围内的椭偏曲线，同时得到K9玻璃的光学常数曲线，为后续使用K9玻璃作为基底材料的研究提供参考。

一、测量原理

根据椭偏光的传播特性，当偏振光以某一角度入射到薄膜样品上面，光在薄膜上下表面发生反射后满足相干光的一系列条件，属于相干光，根据相位差的不同，光的偏振态也会随之发生变化，引入椭偏参数（，）来表述偏振态的前后变化，参数满足下列表达式[5]：

式中，rp和rs分别为光的p分量和s分量的菲涅尔反射系数，为p光和s光的反射相位之差，为偏振角。相位差的变化范围从0到2，偏振角的变化范围从0到/2。

在研究低折射率材料的适用模型中，基于Tauc联合态密度和Lorentz振子模型的关系，Jellison和Modine于1996年用创造性的思维提出了Tauc-Lorentz模型[7]（简写为TL模型）。TL模型中薄膜的介电常数实部e1和虚部e2可表示为：

式中，P表示积分的柯西主值。其中，TL模型需要拟合的参数有：，E0(跃迁能)，Eg（带隙能量），A（振幅参数），C（展宽参数）。其中为常数，E为光子能量。通过TL模型反演得到椭偏参数（，），再通过式（2）（3）得到薄膜材料的各参数。

二、测量与分析

把清洗后的K9玻璃放置在椭偏仪的测试台上，然后调节好测试台及椭偏光线，在所有的测量参数(能量密度、测试点数和测量时间等)设置好后，分别测量了在入射角为60°、65°和70°下的椭偏曲线，采用最简单的“基底/空气”模型进行拟合，其中对于K9玻璃的色散模型选用的是适合描述非晶半导体的Tauc-Lorentz色散公式。最终拟合后得到的三个不同入射角下对应的椭偏参数（，）曲线图分别为图1、图2、图3所示。

图1 60o入射角的椭偏参数曲线图

图2 65o入射角的椭偏参数曲线图

图3 70o入射角的椭偏参数曲线图

从图1、2、3可以看出，三个角度的椭偏参数D的椭偏曲线有少量的脉冲，是由于信号源的不稳定而造成的，而椭偏参数Y的差别不大。最后得到对应角度的均方差(MSE)及反演计算出的K9玻璃的折射率和消光系数列于表1。

表1 K9玻璃的椭偏测量结果

由表1可知，在入射角为70o时的MSE及消光系数都比其他两个入射角要小，且在入射角为70o时所求得的在550nm处的折射率为1.51368、消光系数为0.01115，与光学手册中[9]所查的值一致。然后把入射角为70o时建立的K9玻璃基底测量模型保存为模型文件，以备后面其他薄膜材料建模时调用。还得到了在入射角为70o时的K9玻璃的380nm～2400nm的折射率曲线，如图4所示。

图4 K9薄膜的折射率曲线图

三、结论

本文采用反射式光谱型椭偏仪对K9玻璃样品从三个不同的入射角进行了测量，对测量得到的数据采用Tauc-Lorentz色散公式建立的“基底/空气”模型进行拟合，分析得到在入射角为70°时的均方差（MSE）最小，同时获得K9玻璃在380nm～2400nm光谱范围内的折射率曲线，对后续在K9玻璃基底上进行镀膜做了前期的研究工作。