摘要立體分光鏡 (CBS) 是一類極為重要的光學(xué)元件，其廣泛應(yīng)用于消費(fèi)品、高科技微定位設(shè)備和基于光纖的電信系統(tǒng)中。本應(yīng)用簡報(bào)介紹了使用 Agilent Cary 7000全能型分光光度計(jì) (UMS) 對 CBS 進(jìn)行現(xiàn)場、自動化和無人值守的透射率、反射率和吸光度測量。獲得的光譜信息可在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段給光學(xué)工程師提供有益的思路，并使 QA/QC 部門在最終測試中可以使用更好的控制指標(biāo)；以上皆可在高分析效率下完成，并可滿足常規(guī)分析工作量的需求。

前言顧名思義，CBS 的作用是將一束光線分為兩個(gè)不同的傳播路徑，即反射光和透射光（圖 1），通常其尺寸比骰子略?。?.5–1"，12.7–25.4 mm）。分開的光線可用于復(fù)制圖像、分離顏色或偏振狀態(tài)，或在激光應(yīng)用中充當(dāng)緊湊型干涉儀，用于納米微定位系統(tǒng)。在任何條件下，要在 CBS 的設(shè)計(jì)、實(shí)施和質(zhì)量控制方面取得成功，需要充分了解透射光和折射光的光譜信息。在中間斜邊上，有時(shí)也會在外表面上沉積介質(zhì)（光學(xué)）鍍膜，以確定 CBS 的波長以及偏振特征。此項(xiàng)測量的一個(gè)難點(diǎn)在于內(nèi)部多層鍍膜的光學(xué)性能會受當(dāng)前的光電機(jī)械環(huán)境所影響，比如用于粘結(jié)兩片棱鏡的粘結(jié)劑的折射率。作為開放式表征方法，在粘結(jié)兩片棱鏡之前，需要對介質(zhì)鍍膜進(jìn)行現(xiàn)場測量，得到與組裝后的完整立方體不同的結(jié)果。

?

Cary 7000 UMS 可進(jìn)行同一系統(tǒng)的透射光和反射光的光譜表征，不需要移動樣品，因此入射光也保持不變。對樣品上相同位置的透射率 (T) 和反射率 (R) 的現(xiàn)場測量結(jié)果，可用于計(jì)算出精確的吸光度 (A = 1–T–R) 數(shù)據(jù)，從而深入了解基底和鍍膜性能。分析光譜中的全損失時(shí)，研究人員此前已發(fā)現(xiàn)可導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量問題的人為因素。已見諸報(bào)導(dǎo) [1] 的人為因素包括：• 測量 T 和 R 時(shí)的入射角度 (AOI) 變化• 鍍膜厚度輕微不均勻• 鍍膜的吸光和干涉效應(yīng)的聯(lián)合作用本應(yīng)用簡報(bào)中展示了使用 Cary 7000 UMS 收集數(shù)據(jù)。不移動樣品而測量 T 和 R，即排除了 AOI 變化以及鍍膜厚度不均勻的影響。

分光鏡類型可根據(jù)立體分光鏡最終用途的光學(xué)需求進(jìn)行粗略的分類。本文將給出基本概述，以著重強(qiáng)調(diào)每種分光鏡類型的核心光學(xué)性能。覆蓋的波長范圍可以很寬，例如整個(gè)可見光光譜，或者適用于特定激光束的窄帶，比如 632.8 HeNe 激光。分光鏡的鍍膜可以控制波長范圍，但要求所設(shè)波長范圍的光線可透過基底材料。BK7 玻璃是一種用于可見光譜的低成本材料，但在紫外和近紅外波長范圍內(nèi)劇烈衰減。熔融石英的成本較高，但光學(xué)損失更少且波長范圍更寬，因此是高能激光應(yīng)用的材料。

用于連結(jié)兩片棱鏡的粘結(jié)方法是實(shí)現(xiàn)最終用途的重要考慮因素。光學(xué)膠合劑可用于制備高度穩(wěn)定（機(jī)械）CBS，但此結(jié)構(gòu)更適合低光學(xué)能量的應(yīng)用。Norland Optical Adhesive61（“NOA 61"）就是一種光學(xué)膠合劑。其為透明、無色、液態(tài)光聚合物，在紫外線下會發(fā)生硬化。另一方面，高能激光應(yīng)用必須避免使用光學(xué)膠合劑，轉(zhuǎn)而使用可替代光學(xué)膠合劑的光學(xué)接觸法或者折射率匹配的油類。這些方法的能量閾值更高，但由于機(jī)械穩(wěn)定性較差，因此在處理和使用時(shí)請務(wù)必謹(jǐn)慎。CBS 的偏振性能一般用于基于激光的干涉儀設(shè)備。例如，干涉納米定位系統(tǒng)的性能部分程度上由 CBS 的高 Tp/Ts 比率和相對應(yīng)的高 Rs/Rp 比率這一要求所決定。本應(yīng)用簡報(bào)中所測量的 CBS 正是此類偏振分光鏡的一個(gè)例子，其性能如圖 2 中所示。

 

實(shí)驗(yàn)部分樣品選取邊長為 25 mm 的 CBS，其采用分光鏡和由二氧化硅制成的防反射鍍膜。使用光學(xué)膠粘劑粘合兩個(gè)棱鏡。3儀器采用 Cary 7000 UMS 進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，它是一種高度自動化的可變角度絕對鏡面反射率和透射率測量系統(tǒng)。借助 Cary7000 UMS，操作員可通過獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動控制樣品的入射角以及檢測器的位置，其中檢測器可圍繞樣品在一定弧度內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)。對樣品旋轉(zhuǎn)和探測器位置進(jìn)行獨(dú)立控制可實(shí)現(xiàn)CBS 的快速、精確和自動化測量。過去，分別使用不同附件的分光光度計(jì)測量反射率和透射率。在實(shí)際操作過程中，由于測試模式（附件）和樣品上照明光束的移動之間，照明光束的光斑尺寸會有所變化，導(dǎo)致樣品上被測試區(qū)域也會不同。如果沉積過程形成厚度不均勻的鍍膜，將會影響反射率和透射率測量。在 Cary 7000 UMS 問世以后，現(xiàn)在可以測量同一樣品點(diǎn)的T 和 R 而不移動樣品，消除了這一人為因素對結(jié)果的影響。此外，樣品可以自動旋轉(zhuǎn) 180°，實(shí)現(xiàn)了正向和逆向靜態(tài) T和 R 的測量。每種情況下，都可以不移動樣品而測量同一點(diǎn)的 T 和 R。在本研究中，使用 Cary 7000 UMS 獲取 0° 入射角下的 s和 p 偏振入射光的透射數(shù)據(jù)。如圖 3 中所示，在入射光90° 方向上收集反射數(shù)據(jù)，并在 0° 方向（直接）上收集透射數(shù)據(jù)。樣品裝載方式為立方的中心和入射光的焦點(diǎn)重合，并位于樣品和檢測器的旋轉(zhuǎn)軸上。樣品上入射光錐角的垂直和水平孔徑控制在 2° 以內(nèi)。在 500-720 nm 范圍內(nèi)進(jìn)行光譜測量，數(shù)據(jù)間隔為 1 nm，光譜帶寬為 5 nm，光譜平均時(shí)間為 0.5 s。

 

結(jié)論Cary 7000 UMS 在表征立體分光鏡性能方面已顯示出巨大的潛力。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了樣品旋轉(zhuǎn)和檢測器位置的獨(dú)立和自動化控制。這種無需移動樣品即可測量 T 和 R 的*能力，可保持樣品的入射光不變，同時(shí)可獲得分光鏡吸光度的詳細(xì)光譜信息。Cary 7000 UMS 可實(shí)現(xiàn)快捷、簡便且全自動化的數(shù)據(jù)采集，是 QA/QC 環(huán)境的理想選擇。