薄膜散射测量       

       薄膜元件中的散射损耗一般是很小的 (<1%)。但是在一些膜系中，散射损耗的大小对薄膜的质量起举足轻重的作用。例如，在He-Ne激光器高反射镜中总的损耗为 0.7%~0.3%，其中吸收损耗为 0.02% ~0.05%，而散射损耗约为0.25%。可见要提高激光高反射镜的反射率，就必须降低薄膜的散射损耗。另外，在大功率激光系统中，光线经历了一系列的放大，如果光学元件有少量背散射光产生，就会破坏光泵的功能而引起危险。

光学薄膜的散射可以分为体内散射和界面散射 (或表面散射)。

       体内散射起因于薄膜内部折射率的不均匀性。由于蒸发薄膜都具有柱状结构，其孔隙和柱体的折射率差异很大，因而产生散射。体内散射对入射光线的影响与体内吸收相仿，它使薄膜中的光强度随着薄膜厚度的增加而按指数规律衰减。它们两者对于透射光或反射光的影响难以区别。故必威betway官网用光度法或椭偏仪测量法推算得到的薄膜消光系数，实际上包含了吸收和散射两项损耗，其值应大于用激光量热计测量得到的消光系数，因为后者仅反映了吸收的大小。

       引起光学薄膜表面散射的有两类主要表面缺陷：一类是表面的气泡、裂缝划痕、针孔、麻点、微尘和蒸发时喷溅的微小粒子。它们的线度一般均远大于可见光波长。原则上说，这种相对比较大的缺陷引起的散射，可以用Mie理论来处理。Mie理论可以计算分立的、非相关粒子的散射。它假定粒子具有简单的几何形状，诸如球形或椭球形。这些粒子具有有限的尺寸和一定的介电常数。

       但是在实际计算中，由于散射粒子的形状、分布和介电常数无法知道，故难以得到定量的结果。由于这些粒子或缺陷的线度比较大，故它们的散射在紫外和可见区影响不大，而对红外波段影响较大。

另一类缺陷就是薄膜表面的微观粗糙度。由表面粗糙度引起的表面不平整的线度远小于一个波长，并服从统计规律。对于高准确度光学表面上制备的光学薄膜器件，除了一些喷点引起的薄膜散射，一般薄膜的散射均属于表面或多层膜界面的微粗糙现象造成的。目前，处理这些微粗糙度引起的光散射的理论主要有标量理论和矢量理论两种。

       在标量理论中，主要研究薄膜在 4π立体角之内的散射光总和一一总积分散射 (TIS)，与薄膜表面微观量--方均根粗糙度之间的关系。标量理论产生于20世纪60年代，理论值与实验结果得到较好的符合。但是由于忽略了散射光线的方向和偏振等因素，只考察总积分散射这一项物理量，就不易从 TIS 中得到较多的关于表面微观物理量的信息。

测量基板或薄膜表面方均根粗糙度的主要方法是利用轮廓仪测量，其能达到的最高分辨率为 1nm。一般光学车间中大批量加工的玻璃基板的方均根粗糙度为2~10nm，而实验室里经仔细加工的表面，其值可以小至0.5~1nm。

       测量总积分散射的基本方法是采用积分球进行相对测量。其装置的示意图如图3-14 所示。样品一般置于积分球中心，He-Ne 激光从直径很小的入射光孔进入积分球，照射在样品上，样品的反射光从反射光孔中穿出，被角状衰减器吸收透射光也从透射光孔中射出，也被角状衰减器吸收。积分球的一侧装有光电倍增管，光电信号经过放大器放大后用数字电压表读数。

       为了调节光强大小，光路中有可插入和退出的衰减片。测量时先用散射率为n的标准散射板予以校正。由于该时光强较大，故宜插入衰减片。设该时电压表的读数为I0。然后退出衰减片，再对样品进行测量，设再得到的电压表读数为IA，那么样品的散射率S为

SR=nIA/KI0

其中，K是衰减片的衰减系数。

       矢量理论则是 20世纪 70 年代提出的新理论。它补了标量理论的不足，在分析计算中考虑了散射光的方位和偏振特性。利用矢量理论能计算出薄膜表面散射光在空间各方向的强度分布图。因此，矢量理论是与角度微分散射测试系统相联系的，它能够较好地体现表面各种空间频率的微粗糙度的大小与状态，能够体现出更多的表面结构特征。

       虽然散射角分布的理论十分复杂，但是测量散射角分布的装置原理却直观而简单，然而要能检测出极小的散射量，则必须精心设计和制作。在这类测量装置中，通常以样品为中心，光电探测器可以围绕样品在入射平面内作 180°或 360的转动。性能较好的仪器还可以在以样品为中心的整个球面上转动，以测得非入射平面内的散射光。样品一般能转动和平动，以测量斜入射下的散射特性和扫描样品上各点的散射系数。在测量中，因散射信号很小，通常采用锁相放大器。此外，由于测量数据很多，所以常常采用计算机进行自动采样和分析数据。图3-15即是一种测量散射角分布的仪器。