前言：關(guān)于此項(xiàng)工作的更多詳細(xì)信息發(fā)表于 Optics Express 16129，2012 年 7 月2 日，第 20 卷，14 號(hào) [1]。高質(zhì)量多層光學(xué)鍍膜的設(shè)計(jì)師和制造商需要使用可靠的方法來準(zhǔn)確測(cè)量薄膜材料的光學(xué)常數(shù)。他們通常使用紫外-可見-紅外分光光度計(jì)測(cè)得樣品在標(biāo)準(zhǔn)入射和接近標(biāo)準(zhǔn)入射情況下的透射率 (T) 和反射率 (R)。了解所生成數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和任何誤差的來源（隨機(jī)或系統(tǒng)）將可以得到更可靠的樣品表征數(shù)據(jù) [2, 3]。測(cè)量數(shù)據(jù)集中每一個(gè)點(diǎn)的隨機(jī)誤差（隨機(jī)噪音）都會(huì)有所不同，文獻(xiàn) [2] 中已經(jīng)指出，隨機(jī)誤差對(duì)于表征結(jié)果影響很小。但是，系統(tǒng)誤差一般來說會(huì)造成光譜表征偏移，或?qū)е?T 和 R 曲線的大幅度波長變化，尤其對(duì)于薄膜參數(shù)精確測(cè)定的影響更為顯著 [2]。通過公式 TL(λ) = 100% − R(λ) − T(λ) 計(jì)算薄膜樣品 [4, 5]總損耗 (TL)，便可獲悉有關(guān)數(shù)據(jù)精確度的相關(guān)信息。通常，在基底和薄膜不吸收和不散射的光譜范圍內(nèi)，總損耗為零，而在薄膜有吸收的區(qū)域，TL(λ) 會(huì)隨著波長增加而減小。

分析總損耗譜時(shí)，經(jīng)常會(huì)觀察到光譜振蕩，這會(huì)使人們對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性產(chǎn)生懷疑。此類振蕩的來源包括：• 測(cè)量 T 和 R 時(shí)的入射角 (AOI) 不同• 薄膜吸收和干擾• 薄膜厚度不均勻文獻(xiàn) [1] 中討論了總損耗中振蕩來源的完整報(bào)告。在此篇論文中，論證了配備新型全能型測(cè)量附件 (UMA) 的 AgilentCary 5000 紫外-可見-近紅外分光光度計(jì)，在不移動(dòng)樣品的情況下測(cè)量薄膜特性 T 和 R，在此之前未有報(bào)道。

實(shí)驗(yàn)部分樣品使用磁控濺射設(shè)備 Leybold Optics HELIOS，在直徑 25 mm，厚度 6.35 mm 的透明石英基底上沉積一個(gè) 292 nm 厚的Ta2O5 薄膜 [1]。此外，還使用了預(yù)先制備的厚度不均勻Ta2O5 薄膜。測(cè)量了 7° 和 10° 時(shí) s 偏振光的透射數(shù)據(jù)，以及10° 時(shí) s 偏振光的反射數(shù)據(jù)。儀器• Agilent Cary 5000 紫外-可見-近紅外分光光度計(jì)• Agilent 全能型測(cè)量附件UMA 是高度自動(dòng)化的可變角度全鏡面反射和透射系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^入射到樣品上的線偏振光來測(cè)量透射率，然后以樣品為軸將檢測(cè)器旋轉(zhuǎn)到反射光的位置來測(cè)量反射率，如圖 12中所示。因此，可對(duì)樣品上的同一點(diǎn)測(cè)量 T 和 R。UMA附件具備的這種多重測(cè)量模式功能，能夠?qū)Ρ∧みM(jìn)行更準(zhǔn)確、更快速和更完整的光學(xué)表征。也可以使用 Cary 7000 全能型分光光度計(jì) (UMS) 采集此數(shù)據(jù)。

結(jié)果和討論過去，反射率和透射率的測(cè)量需要使用安裝不同附件的分光光度計(jì)。在實(shí)際操作中，需要測(cè)量樣品表面的多個(gè)區(qū)域。如果薄膜沉積過程中薄膜厚度不均勻，那么反射率和透射率測(cè)量會(huì)受到影響。隨著 UMA 附件的誕生，現(xiàn)在可在樣品的同一個(gè)位置測(cè)量透射率和反射率，有效解決了光譜振蕩的誤差來源。在此研究中，我們使用配備 UMA 附件的安捷倫 Cary 5000 雙光束紫外-可見-近紅外分光光度計(jì)，得到 s 偏振光在 7° 和 10°入射角時(shí)的透射率以及 s 偏振光在 10° 入射角時(shí)的反射率。為了驗(yàn)證新型 UMA 附件的能力，幾個(gè)月后我們使用另一個(gè)UMA 和不同的樣品支架對(duì)同一樣品進(jìn)行了重新分析。

在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們考慮到計(jì)算 TL 需要測(cè)量 T 和 R，可以使用第一個(gè) UMA，在不同入射角下得到，再根據(jù)以下公式進(jìn)行計(jì)算：TL(s)(λ) = 100%−T(s)(7°, λ)−R(s)(10°, λ)。該實(shí)驗(yàn)的總損耗在圖 2(a) 中標(biāo)出（紅線）?？汕宄吹郊s為0.4 % 數(shù)量級(jí)的光譜振蕩。圖 2(a) 中的實(shí)心曲線（黑線）代表基于 7° 和 10° 入射角得到的 T 和 R 計(jì)算出的總損耗的理論預(yù)測(cè)結(jié)果。圖 2(a) 中實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果具有很好的一致性。這種一致性證實(shí)了光譜振蕩僅源于入射角的差異，而樣品厚度不均勻?qū)倱p耗不產(chǎn)生影響。

其次，圖 2(b) 還顯示了實(shí)驗(yàn)總損耗，由測(cè)得的相同入射角下的透射率和反射率通過以下公式計(jì)算得出：TL(s)(λ) = 100%−3T(s)(7°, λ)−R(s)(7°, λ)?？梢郧逦赜^察到振蕩的消失。這進(jìn)一步證明，當(dāng) T 和 R 的測(cè)量結(jié)果來自相同的樣品點(diǎn)時(shí)，厚度的不一致性并不影響總損耗。在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，T 和 R 數(shù)據(jù)來自使用新樣品架的原樣品，并使用了不同 UMA 附件的 Cary 5000 分光光度計(jì)。圖 3(a)的實(shí)心黑線代表使用 UMA 得到的數(shù)據(jù)。相同的樣品幾個(gè)月后使用不同的 UMA 再次分析，其結(jié)果用紅線表示。從直觀結(jié)果上看，兩個(gè)數(shù)據(jù)系列難以分辨，證明在多個(gè) UMA之間可實(shí)現(xiàn)重現(xiàn)性。這讓我們有理由信任來自不同UMA/UMS 系統(tǒng)的結(jié)果，例如，制造環(huán)境里可以使用不同的儀器。

圖 3(b) 中給出了兩個(gè)透射光譜之間的差異?？梢郧逦赜^察到 0.15% 的振蕩幅度。圖 3(b) 中的實(shí)心曲線（黑線）表示 Δd = -0.3 nm 時(shí)理論估算的總損耗。膜厚度 (d = 292 nm)的不均勻度大約為 0.1%。這與 HELIOS 沉積設(shè)備厚度不均勻水平*一致。

結(jié)論總消耗譜的振蕩原因之一來自薄膜樣品厚度的不均勻。不過，與測(cè)量透射率和反射率時(shí)入射角 (AOI) 的誤差相比，此類誤差的影響較小。AOI 誤差可以使用配有先進(jìn)分光光度測(cè)量附件的 Cary 5000 紫外-可見-近紅外分光光度計(jì)進(jìn)行消除（由安捷倫科技研制）。UMA附件是一個(gè)可變角度鏡面反射和透射系統(tǒng)，不需要移動(dòng)樣品或照射到樣品上的入射光即可得到 T 和 R 數(shù)據(jù)。本報(bào)告中展示的結(jié)果顯示在消除了入射角差異之后，殘留振蕩已經(jīng)非常細(xì)微，并且與理論值有一致性。這一結(jié)果證實(shí)，憑借這款能在所研究樣品同一位置測(cè)量 T 和 R 的儀器，樣品厚度不均一對(duì)總損耗沒有任何影響。安捷倫新推出的多角度分光光度計(jì)可為研究人員表征薄膜提供更準(zhǔn)確的光譜信息，見您前所未見。