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

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光能的吸收，每個材料都有其對應不同波長的吸收帶。固有吸收損耗是無法消除的，但是可以通過薄膜制備方法、環境因素等使其發生改變。

2、外在吸收

外在吸收是材料雜質或界面污染引起的吸收損耗，有時，該損耗還和襯底特性有關聯。

三、為什么要單獨測量膜層的吸收損耗

一般來說，若需要獲得光學元件的總損耗，只需測量其反射光譜和透射光譜足以。對于高反膜，可以使用光腔衰蕩光譜法。但是，對于某些特定應用，吸收損耗和散射損耗對光學性能有不同的影響作用，因此往往需要單獨測量吸收和散射損耗。同時，在某些情況下，將襯底吸收和膜層吸收分開測量可以用來區分不同的吸收來源。在光學鍍膜測試中，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帶來極大的影響，本文第十問會對散射損耗做個簡要補充），吸收損耗是我們關注的重點。

四、吸收損耗中的關鍵參數有哪些

1、吸收量（absorption）

吸收量表示在一定時間下，材料吸收一定波長的光的總和。

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到的光的比值的對數。其表示了樣品對材料的吸收率，其值與膜厚和吸收系數有一定關系。

3、吸收系數α（absorption coefficient）

吸收系數表示材料對一定波長的光的吸收能力，決定了一定波長的光在被吸收之前可以穿透到材料中多遠。其值很大程度上由材料的特性和波長決定。

4、吸收消光系數k（extinction coefficient）

吸收消光系數同樣用來表征材料對一定波長的光的吸收能力。吸收消光系數k與吸收系數α滿足一定的函數關系，其關系如下式所示：

α=(4π/λ)·k

       同時1dB/cm=4.34α。

五、膜層吸收損耗的測試方法是什么

測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的熱效應。常用方法有有激光量熱法、光熱偏轉法、光熱共路徑干涉測量法、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量的國際標準（本文參照ISO 11551: 2019）。該方法測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)測量薄膜樣品溫度從輻照升溫到冷卻的變化，用函數擬合方法計算得到樣品吸收率的數值。其假設測試樣品的吸收在測量過程中樣品所經歷的溫度波動范圍內是恒定的。該方法的優點在于其十分簡單，測量只涉及樣品的比熱容和應用的激光功率。但是，如對于低熱導率材料，其依賴于環境濕度、樣品材料、其表面粗糙度和背景介質等因素，導致其難以提高精確度。

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

光熱偏轉法又稱激光誘導偏轉法，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、激光功率計和用于溫度測量的高溫計。裝置搭建如圖1所示。由于使用特定偏轉方向的測量，所以減小了襯底材料的吸收所帶來的影響，提高了膜層吸收損耗測量的精確度。其可測量的最小吸收率小于1 ppm（10^-6）。 但相對于激光量熱法，其極高的測試精度需要依賴于較高的實驗技巧。多使用1030nm激光測試反射膜。測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。

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

光熱共路徑干涉測量法又稱為相敏泵浦探針技術（phase-sensitive pump-probe technique）。其通過泵浦光束將被測樣品加熱（吸收轉化為熱能）形成熱透鏡，使探測光束產生波前畸變。畸變使探測光束內部產生干涉效應，進而影響光束強度（相位），該強度（相位）變化能被探測器所探測到。通過泵浦光的周期開關，測試的干涉圖樣被時間調制，可以進一步獲得更準確的薄膜的吸收率。在該方法中，襯底一般為平面。該方法的測量精度大致在5×10^-4cm^-1。

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參考文獻

• [1]唐晉發, 顧培夫, 劉旭, 等. 現代光學薄膜技術 [M], 2007, 288-399
• [2]荊建行, 孔明東, 王 強, 等. 基于紅外熱像儀的光學薄膜吸收測試方法[J]. 光電工程, 2021, 48(6): 210071
• [3]Laser and electro-optical systems. ISO 11551:2019 Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment — Test method for absorptance of optical laser components, 2020
• [4]Balasa I., Jensen L.O., Ristau D.. Laser calorimetric absorptance testing of samples with varying geometry. Optical Engineering, 2014, 53(12):122503
• [5]Christian Mühlig, Siegfried Kufert, Simon Bublitz, et al. Laser induced deflection technique for absolute thin film absorption measurement: optimized concepts and experimental results. Applied Optics, 2011, 50(9): C449-C456
• [6]A Guide to (Not Over) Specifying Losses in Laser Optics.
• [7]溫家慧, 朱美萍, 孫建, 等. 激光薄膜吸收損耗控制研究進展 [J/OL]. 光學學報. https://kns.cnki.net/kcms/detail/31.1252.O4.20211110.1126.024.html

光學鍍膜指標——吸收損耗最先出現在芯飛睿。

光譜是光與物質相互作用的結果。當光照射到一個界面會發生反射、透射或吸收，不同波長的光會產生不同程度的反射或透射以及吸收損耗。于是，不同波長的光通過同一界面的作用，在接收端就會接收到不同的光的強弱信號。將這些不同的波長下接收到的光的信息繪制成譜線，即我們通常所說的光譜。研究反射光線隨波長的變化曲線稱為反射光譜；研究透射光線隨波長的變化曲線稱為透射（透過）光譜。（Crylink規格表中一般使用反射光譜作為表征，故下述舉例一般都為反射光譜。）

圖1 反射光譜圖兩種形式 （a）某增透膜的反射光譜；（b）某增反膜的反射光譜

二、為什么需要反射/透過光譜

首先，光譜圖比起參數表更加直觀且能從圖中獲取很多信息。

• 我們能從光譜圖上直接讀出一定范圍內每一個波長的反射率/透過率；
• 我們能看出一個膜層的反射率/透過率的峰值和峰值波長，這對于我們選擇窄帶激光窗口片等起關鍵作用；
• 對于寬帶應用，我們可以看到膜層作用的波長范圍以及是否穩定平坦；
• 通過多光譜在同一坐標系下的繪制，我們可以直接從圖中看出膜層的優劣等。

除此之外，還有一些特殊的光譜圖例如偏振光反射光譜或將通過反射光譜和透過光譜獲得的信息進行一定的處理，還能進而獲得膜層下的群色散（GD）、群色散延遲（GDD）和吸收損耗等信息。我們將在之后的專題中詳細說明。

三、反射/透過光譜圖怎么看

反射/透過光譜代表反射率/透過率隨波長的變化規律。所以一般情況下，反射/透過光譜圖都是以“波長”作為橫坐標，以“反射率/透過率”作為其縱坐標。需要注意一點，在不同坐標系下，將譜線形狀直接對比是沒有意義的。
光譜曲線是我們能看到的最直觀的光譜信息表達形式。以下舉了三個例子來說明如何從光譜圖上直接讀到信息。

1、簡單的寬帶平坦光譜曲線

此類光譜曲線十分簡單明了，但是最為典型。我們可以看出譜線的線型呈現倒U狀，頂部極其平坦。如圖2 的紅字標注我們可以看到該曲線的頂點的坐標在（536，99.997）附近。說明該曲線的峰值，即反射率的最大值在99.997%左右，峰值波長在536nm附近。但是對于一個寬帶光譜來說，比起單點峰值，我們更應該關注一定波長范圍內的反射率值。假定框選500-560nm波長范圍，如藍字標注所示，我們可以清楚地看到，該段光譜曲線全部位于99.99%以上。由數據可以看出該層膜十分適用于500-560nm內綠光的高反且要求穩定的應用場合。

2、多條含小起伏的光譜曲線

有些光譜曲線并不如圖2那樣直接，如圖3所示。圖3包含兩條曲線，從圖3的中心我們可以看出灰線為0°入射，藍線為5°入射（AOI = angle of incidence）。通過圖像可以發現兩條曲線近乎重疊，由此可以推斷在小角度入射角變化下，光譜與入射角近似不相關。所以此類膜系可適用于小角度斜入射的光學應用。
再從單條曲線，如灰線，與圖2曲線相比顯得不是那么平坦。但從圖中我們依舊可以看出，495-570nm范圍內反射率小于等于1.3%；500-570nm范圍內反射率小于等于0.7%；525-565nm范圍內反射率低至0.4%以下。從哪個范圍讀數據需要根據實際應用，若客戶需求應用于532nm的大于99%透過率的鍍膜，該光譜圖所對應的產品就能很好地滿足需求。故光譜圖能做到輔助個性化的選擇。

3、大起伏有明顯峰值的光譜曲線

有部分光譜曲線并不適用于寬帶的應用場景，它們普遍有較窄的穩定范圍，較大的起伏和明顯的峰值，如圖4所示。該光譜曲線有兩個明顯的特征點，分別位于808nm和1064nm附近。此兩點的反射率近乎接近于0，即有極高的透過率。所以該光譜所代表的膜層可很好地應用于808nm和1064nm的窄帶高透過應用如分光鏡。

四、增透膜和增反膜的光譜圖的區別是什么

光線照射到一個界面產生反射、透射和吸收，根據能量守恒定律，入射光=反射光+透射光+吸收損耗。反射率R和透射率T分別為反射光和透射光相較于入射光的比值，吸收率A為吸收損耗相較于入射光的比值，故可以得出R=1-T-A。若已知增透膜的的吸收損耗為0或接近于0，增透膜的透過光譜同樣可以用反射光譜來表示（需要注意的是，透射光譜并不能完全使用反射光譜做替代，若做相關實驗，仍需要考慮吸收的影響，后續會有專題對吸收損耗做詳細說明）。Crylink的規格表中增透膜（AR膜）和增反膜（HR膜）基本統一使用反射光譜作為呈現指標。增透膜的反射光譜一般呈現正U的形狀，增反膜的反射光譜一般呈現倒U的形狀，如前圖1所示。增反膜的反射光譜曲線數值越大反射率越大，質量越好；增透膜的反射光譜曲線數值越小透過率越大（假設吸收極小），質量越好。

五、相關關鍵術語是什么意思

1、反射率（reflection）：

反射率是一個參數，用于描述傳輸介質中的阻抗不連續性反射了多少波。我們將從界面反射功率與入射功率的分數稱為反射率（或功率反射系數）R。
反射率取決于光的波長，入射光和反射光的方向，光的偏振，材料的類型（金屬，塑料等），材料的化學成分和結構，以及材料及其表面的狀態（溫度，表面粗糙度，氧化和污染程度）等。

2、透過率（transmittance）：

我們將折射到第二介質中的透過功率與入射功率的分數稱為透過率（或透射率、功率傳輸系數）T。
透過率的取決因素和反射率類似，此處不再做額外贅述。

3、峰值（peak）：

變化波形上的最高點/最低點（對于反射光譜，增反膜看最高點和增透膜看最低點）。

4、峰值波長（peak wavelength）：

在反射光譜中，峰值波長是達到反射率最大值的單一波長。通常峰值波長會被當做特定設計波長(DWL)。

5、帶寬（bandwidth）：

帶寬是一個波長范圍，用于表示頻譜中入射能量透過或反射在光學元件界面的特定部分。帶寬又稱為半高全寬（一般用于濾波元件中）。

6、半高全寬（FWHM）：

半高全寬描述光學元件傳輸的頻譜帶寬。該帶寬的上限和下限是在達到反射率/透過率的50%時的波長下定義的。10nm或更低的半高全寬被認為是窄帶，通常用于激光凈化和化學檢測；25-50nm的半高全寬經常用于機器視覺應用；超過50nm的半高全寬被認為是寬帶，通常用于熒光顯微鏡應用。

7、波長范圍（wavelength range）：

波長范圍用來描述一個波長到另一個波長中間的值。光學元件的選取通常依賴于客戶所需的波長范圍的應用。

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參考文獻

• [1] 袁波，楊青. 光譜技術及應用[M]. 浙江：浙江大學出版社，2019
• [2] Reflection coefficient.
• [3] Optical Filters.
• [4] 反射鏡.
• [5] Anti-Reflection (AR) Coatings.

光學鍍膜光譜指標——反射率R最先出現在芯飛睿。

1.光腔（optical cavity）

光腔又稱為光學諧振（頻率一致而產生幅值增強的現象）腔。其通常由兩面反射鏡形成的一個光學腔體結構。在光腔衰蕩光譜法中，兩面反射鏡都為高反鏡，一面為參考鏡，另一面為被測鏡。光波會限制在腔體內產生多次反射。

2.光腔衰蕩（cavity ring-down/CRD）

一束光照射進由參考鏡和被測鏡組成的光腔中，光會在光腔中多次反射。由于反射鏡并不是百分百反射，有透射和吸收等損耗的影響。光的能量會隨時間進行一個衰減。這個過程就叫光腔衰蕩。

3.光腔衰蕩光譜（cavity ring-down spectroscopy/CRDS）

光腔衰蕩光譜是一種高靈敏度的光譜技術，可以通過光的總損耗來精確地確定反射鏡的反射率。光腔衰蕩光譜又被稱為光腔衰蕩激光吸收光譜（CRLAS）。
光腔衰蕩光譜一般分為脈沖光腔衰蕩光譜和連續波光腔衰蕩光譜。

二.什么是光譜儀

光譜儀（spectrometer）是一種科學儀器，用于分離和測量物理現象的光譜分量。其所測量的變量通常是光的強度，但也可以是例如偏振狀態。光譜儀主要由光源、色散組件（棱鏡或光柵）和探測器組成。用光電探測器接收色散信號的光譜儀同時被稱為分光光度計。
對于一般光學元件的反射率測量中，常用商用光譜儀直接測量反射光譜，測量精確度往往依賴于儀器本身的精確度。

三.光腔衰蕩光譜的設備是什么？

光腔衰蕩光譜測量所使用的設備被稱為光腔衰蕩光譜儀。
光腔衰蕩光譜儀與一般光譜儀有一些區別，其包含一個用于高精細度光腔的激光光源、構成光腔的兩面高反鏡和探測器。
光腔衰蕩光譜儀測量的是，光強衰減為初始強度的 1/e 所需要的時間，這個時間被稱為“衰蕩時間”可以被用來計算系統的總損耗。

四.光腔衰蕩光譜的測試方法是什么？

• 將光腔的兩面鏡子分別設置為參考鏡和被測鏡；
• 將激光器的激光（脈沖/連續）引入光腔，通過反射鏡的反射，往返光線因多次相長干涉（頻率相同、振動方向相同、相位差恒定的光的疊加增強）迅速增強；
• 之后將激光迅速切斷，使用放置于反射鏡后的探測器探測從腔中逸出光強的衰減程度；
• 通過衰蕩時間來計算相應的激光往返一次的總損耗；
• 更改參考反射鏡多次測量，確認被測反射鏡的損耗，以獲得被測反射鏡的反射率及其反射光譜。

五.光腔衰蕩光譜的技術原理是什么

以脈沖光腔衰蕩光譜法做說明。脈沖光被限制在空的光腔中做多次反射，因吸收和散射造成光束能量的衰減，其總損耗已被證明為與時間相關的指數函數。

I(t)=I₀e^-t/τ

在上式中，I(t)為在t時刻的光強；I₀為初始光強；t為激光器被切斷的瞬間后光束限制在腔內反射的時間；e為自然常數，其值約為2.718；τ為衰減時間常數，表示為I_t衰減到I₀的1/e所需的時間，其值取決于腔內的反射鏡的損耗和其它的一些光學損耗如散射等。τ用數學式可表示為：

τ=(n/c)*(2L/α)

在上式中，n為腔內的折射率，一般情況下為空氣，則n=1；c為真空中的光速，其值為3×10⁸m/s；L為腔體長度，即兩面反射鏡中心的距離；α為系統往返一次的總損耗（包括兩面反射鏡的透射損耗、吸收損耗和散射等其它光學損耗），即我們關心的值。
總損耗包括兩面反射鏡的透射損耗、吸收損耗和散射等其它光學損耗，若假設兩面反射鏡的反射率R₁=R₂=R~1時，由I(t)=I₀(R₁R₂)^(n*2L)/c可確認總損耗：

α=-ln(R₁R₂)≈2(1-R)

但我們還有一種更精確的測試方式。
假設有三面反射鏡，M₁、M₂和M₃。M1和M2為參考反射鏡，M3為被測反射鏡。通過上述方法我們可以獲得M1和M2的總損耗α₁₂，M2和M3的總損耗α₂₃，M1和M3的總損耗α₁₃。由此可以很簡單地得出被測反射鏡的單鏡損耗為：

α₃=1/2(α₂₃+α₁₃-α₁₂)

    由上式，我們就可以獲得一個準確率極高的反射率及反射光譜。

六.光腔衰蕩能測試的精度在多少

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參考文獻

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光腔衰蕩光譜最先出現在芯飛睿。