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光學(xué)鍍膜指標(biāo)——吸收損耗

一、什么是膜層的吸收損耗

吸收損耗是由于電能、電磁能或聲能與材料介質(zhì)相互作用而耗散或轉(zhuǎn)換為其它形式的能量而引起的。在薄膜中體現(xiàn)為部分光能轉(zhuǎn)化為熱量而消散。

二、有哪幾種類型的吸收損耗

膜層的吸收損耗分為兩種形式:

1、固有吸收損耗

固有損失是材料本身對(duì)光能的吸收,每個(gè)材料都有其對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的吸收帶。固有吸收損耗是無(wú)法消除的,但是可以通過(guò)薄膜制備方法、環(huán)境因素等使其發(fā)生改變。

2、外在吸收

外在吸收是材料雜質(zhì)或界面污染引起的吸收損耗,有時(shí),該損耗還和襯底特性有關(guān)聯(lián)。

三、為什么要單獨(dú)測(cè)量膜層的吸收損耗

一般來(lái)說(shuō),若需要獲得光學(xué)元件的總損耗,只需測(cè)量其反射光譜和透射光譜足以。對(duì)于高反膜,可以使用光腔衰蕩光譜法。但是,對(duì)于某些特定應(yīng)用,吸收損耗和散射損耗對(duì)光學(xué)性能有不同的影響作用,因此往往需要單獨(dú)測(cè)量吸收和散射損耗。同時(shí),在某些情況下,將襯底吸收和膜層吸收分開測(cè)量可以用來(lái)區(qū)分不同的吸收來(lái)源。在光學(xué)鍍膜測(cè)試中,散射損耗極小一般被忽略(在高透/高反膜中,極小的散射損耗也會(huì)帶來(lái)極大的影響,本文第十問(wèn)會(huì)對(duì)散射損耗做個(gè)簡(jiǎn)要補(bǔ)充),吸收損耗是我們關(guān)注的重點(diǎn)。

四、吸收損耗中的關(guān)鍵參數(shù)有哪些

1、吸收量(absorption)

吸收量表示在一定時(shí)間下,材料吸收一定波長(zhǎng)的光的總和。

2、吸光度(Absorbance)

吸光度是入射到樣品或材料上的光量與光與樣品相互作用后檢測(cè)到的光的比值的對(duì)數(shù)。其表示了樣品對(duì)材料的吸收率,其值與膜厚和吸收系數(shù)有一定關(guān)系。

3、吸收系數(shù)α(absorption coefficient)

吸收系數(shù)表示材料對(duì)一定波長(zhǎng)的光的吸收能力,決定了一定波長(zhǎng)的光在被吸收之前可以穿透到材料中多遠(yuǎn)。其值很大程度上由材料的特性和波長(zhǎng)決定。

4、吸收消光系數(shù)k(extinction coefficient)

吸收消光系數(shù)同樣用來(lái)表征材料對(duì)一定波長(zhǎng)的光的吸收能力。吸收消光系數(shù)k與吸收系數(shù)α滿足一定的函數(shù)關(guān)系,其關(guān)系如下式所示:

α=(4π/λ)·k

       同時(shí)1dB/cm=4.34α。

五、膜層吸收損耗的測(cè)試方法是什么

測(cè)試膜層的吸收損耗的基本原理是利用激光輻照薄膜樣品時(shí)的熱效應(yīng)。常用方法有有激光量熱法、光熱偏轉(zhuǎn)法、光熱共路徑干涉測(cè)量法、表面熱透鏡法、光聲光譜法、紅外熱像儀法等。在目前商用的一般有三種:

1、激光量熱法

激光量熱法是吸收損耗測(cè)量的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(本文參照ISO 11551: 2019)。該方法測(cè)量吸收損耗的具體方法是采用一束激光輻照薄膜樣品,隨后使用熱敏電阻(或熱電偶)測(cè)量薄膜樣品溫度從輻照升溫到冷卻的變化,用函數(shù)擬合方法計(jì)算得到樣品吸收率的數(shù)值。其假設(shè)測(cè)試樣品的吸收在測(cè)量過(guò)程中樣品所經(jīng)歷的溫度波動(dòng)范圍內(nèi)是恒定的。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于其十分簡(jiǎn)單,測(cè)量只涉及樣品的比熱容和應(yīng)用的激光功率。但是,如對(duì)于低熱導(dǎo)率材料,其依賴于環(huán)境濕度、樣品材料、其表面粗糙度和背景介質(zhì)等因素,導(dǎo)致其難以提高精確度。

2、光熱偏轉(zhuǎn)法(laser induced deflection / LID)

光熱偏轉(zhuǎn)法又稱激光誘導(dǎo)偏轉(zhuǎn)法,其所用裝置包括激光器、反射鏡、鍍有樣品膜層(例如高反鏡)的元件、輸出耦合器、激光功率計(jì)和用于溫度測(cè)量的高溫計(jì)。裝置搭建如圖1所示。由于使用特定偏轉(zhuǎn)方向的測(cè)量,所以減小了襯底材料的吸收所帶來(lái)的影響,提高了膜層吸收損耗測(cè)量的精確度。其可測(cè)量的最小吸收率小于1 ppm(10-6)。 但相對(duì)于激光量熱法,其極高的測(cè)試精度需要依賴于較高的實(shí)驗(yàn)技巧。多使用1030nm激光測(cè)試反射膜。測(cè)試往往需要使用低輻照的激光源,可以盡量減小襯底材料的影響。

圖2 光熱偏轉(zhuǎn)法示意圖(反射膜為例)
圖1光熱偏轉(zhuǎn)法示意圖(反射膜為例)

3、光熱共路徑干涉測(cè)量法(photo-thermal common-path interferometry / PCI)

光熱共路徑干涉測(cè)量法又稱為相敏泵浦探針技術(shù)(phase-sensitive pump-probe technique)。其通過(guò)泵浦光束將被測(cè)樣品加熱(吸收轉(zhuǎn)化為熱能)形成熱透鏡,使探測(cè)光束產(chǎn)生波前畸變。畸變使探測(cè)光束內(nèi)部產(chǎn)生干涉效應(yīng),進(jìn)而影響光束強(qiáng)度(相位),該強(qiáng)度(相位)變化能被探測(cè)器所探測(cè)到。通過(guò)泵浦光的周期開關(guān),測(cè)試的干涉圖樣被時(shí)間調(diào)制,可以進(jìn)一步獲得更準(zhǔn)確的薄膜的吸收率。在該方法中,襯底一般為平面。該方法的測(cè)量精度大致在5×10-4cm-1。

圖3 光熱共路徑干涉測(cè)量法示意圖
圖2 光熱共路徑干涉測(cè)量法示意圖
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