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光学 薄膜 X射线反射率、荧光强度及光谱 数据处理方法

阅读：216发布：2020-06-12

专利汇可以提供光学薄膜 X射线反射率、荧光强度及光谱数据处理方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种光学薄膜 X射线反射率、荧光强度及光谱数据处理方法，包括以下步骤：1) 数据采集模块采集光学薄膜参数，并将其传输到数据调整模块；2)数据调整模块对接收到的数据进行调整后，传输给数据处理模块；3)数据处理模块根据光学薄膜参数数据计算反射率、荧光强度及荧光谱，并将计算结果发送给数据显示模块；4)数据显示模块将计算结果进行显示。与现有技术相比，本发明具有实现成本低、可靠性高、操作简单、直观性好、仿真性高等优点。，下面是光学薄膜 X射线反射率、荧光强度及光谱数据处理方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种光学薄膜 X射线反射率、荧光强度及光谱数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)数据采集模块采集光学薄膜参数，并将其传输到数据调整模块；
2)数据调整模块对接收到的数据进行调整后，传输给数据处理模块；
3)数据处理模块根据光学薄膜参数数据计算反射率、荧光强度及荧光谱，并将计算结果发送给数据显示模块；
4)数据显示模块将计算结果进行显示；
所述的数据处理模块根据光学薄膜参数数据计算反射率、荧光强度及荧光谱具体包括：
31)单层膜以及多层膜的反射率计算；
32)膜层中X元素的荧光计算；
所述的单层膜以及多层膜的反射率计算具体如下：
首先考虑平行光入射单层膜，假定在折射率为n2的光学基板上有一层厚度均匀的光学薄膜，膜折射率为n1，膜的几何厚度为d1，入射介质的折射率为n0，当一束波长为λ的X射线以θ0照射到薄膜上表面时，发生折射与反射，其中折射角为θ1，反射角θ＇0；光束在薄膜上下两表面多次反射，因而产生一组反射光束1、2、3…和一组透射光束1＇、2＇、3＇…，如果入射光的振幅为E0，则各反射光束的振幅为
其中分别表示在两个界面上的反射系数和透射系数，由斯托克斯
定律可知，
式(1)中为膜的位相厚度，两相邻光束间的位相差为2δ1；反射光的合振
幅ER为：
故单层膜的反射系数r为
式中的由菲涅尔公式求得；
单层膜的两个界面用一个等效界面来代替，膜的折射率为nk，入射介质的折射率为nk-1，出射介质的折射率为nk+1，膜的位相厚度是δk,k+1，设单层膜上界面的反射系数为rk，下界面的反射系数为rk+1，于是这个单层膜的等效界面的反射系数为rk,k+1
将单层膜的反射率计算推广到多层膜，设膜层数为N，入射介质为第0层，基底为第N+1层，首先从基底膜层开始，基底膜层r＝0，将膜层的两个界面等效成一个界面，然后在将这个等效界面与上一个界面等效为一个界面，依次向上递推到膜系的顶层第一个界面，由迭代运算计算各层的反射率
同理，可计算各层的透射率
其中rk和tk可由菲涅尔公式求得，设界面上下两层的折射率为nk-1和nk，入射角为θk-1，折射角为θk，入射光振幅Ek-1，反射光和折射光的振幅分别为E'k-1和Ek；由菲涅尔公式计算反射系数和透射系数rk和tk
当多层膜界面非理想光滑，而是渐变的，假设粗糙度为σ，则：
2.根据权利要求1所述的一种光学薄膜X射线反射率、荧光强度及光谱数据处理方法，其特征在于，所述的膜层中X元素的荧光计算具体过程如下：
平面电磁波入射多层膜第k-1层与第k层界面，则在距界面层上z厚度的某一点处电场强度由入射电场强度和出射电场强度合成，和分别表示为
其中，和分别表示第k层表面电场强度振幅，第N+1层基底的电场强度振幅
则z处的电场强度强度
根据X射线荧光光谱的基本参数法计算x元素产生的荧光强度
其中，Ix(θ)为荧光探测器接收到的荧光强度；Fx(θ)为样品中的荧光产额；G(θ)为几何因子，εdet代表探测器的采集效率，Tair表示荧光在空气中的穿透率，W⊥表示探测光斑的纵向长度，g(θ,t)为入射光强度分布函数，为探测光斑横向宽度的矩形函数；表示荧光产生截面，τx(E0)代表光电散射截面；代表平均荧光产额；g代表各荧光线的相对发射率；f为吸收边的跳高；(μ/ρ)k,E为X元素的质量衰减因子；为荧光探测器与样品表面所成夹角；Ck,x(z)表示X元素在多层膜中的浓度分布；Ik(θ,z)表示膜层中的电场强度分布情况；
以上情况均认为入射光为绝对平行光，实际实验中入射光为非平行光，设其发散度为a时，
其中，I(a)为入射x射线的光强分布函数。

说明书全文

光学薄膜 X射线反射率、荧光强度及光谱 数据处理方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种光学薄膜数据处理方法，尤其是涉及一种光学薄膜X射线反射率、荧光强度及光谱数据处理方法。

背景技术

[0002] 光学薄膜是一类通过界面传播光束的光学介质材料，是由一层或多层薄的分层介质而构成。目前已广泛应用于各个领域，从眼镜镀膜到手机、电脑的液晶显示再到天文望远镜等等，充斥着我们生活的方方面面，成为了各种光学仪器的重要组成部分。光学薄膜的性能直接影响着仪器的光学性能。随着科学技术的发展，对光学仪器及其重要组成部分的光学薄膜的性能提出了更高更新的要求，因此，更加精确全面地表征光学薄膜性能变得越来越重要。

[0003] 光学薄膜的性能主要取决薄膜的结构和成分，相关的表征方法主要有扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线反射(XRR)、X射线荧光(XRF)、X射线光电子谱(XPS)、X射线吸收精细结构谱(XAFS)等。其中SEM和AFM是有关材料表面形貌的表征方法；TEM和XRD则用来研究材料的内部精细结构；XRR通过测量样品反射率获得其膜层结构信息，如厚度、粗糙度等，是一种常用的无损测量方式。XRF和XPS均可用来分析待测材料中的成分，但XPS常需结合激光刻蚀才可实现对样品的深度探测，这将不可避免的破坏了实验样品；XAFS是一种无损测量微观结构的方法，可以获得包括配位数、键长在内的微观结构信息。通过结合几种不同的实验方法，可以综合表征光学薄膜的性能。

[0004] 然而，以上这些表征方法都是通过对样品的测量获得其结构成分信息，并未有相关的技术通过样品的结构成分模拟计算反射率、荧光强度及荧光光谱等。而对于一些表征方法(如XRF)常需要特殊的X射线光源，如同步辐射光源，受到实验机时限制，常需要提前设计好实验方案(例如合适的入射光角度)，从而确保实验的顺利进行，以及实验数据的准确性。

[0005] 鉴于对实验方案设计的需要，一种对实验条件模拟计算的软件亟需出现，这将更好的了解实验参数对实验数据的影响，更加直观的帮助用户对实验做到心中有数。同时，模拟实验条件计算反射率及荧光强度将大大的方便了广大用户，简单快速地实现光学薄膜的性能表征。

发明内容

[0006] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种实现成本低、可靠性高、操作简单、直观性好、仿真性高的光学薄膜X射线反射率、荧光强度及光谱数据处理方法。

[0007] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

[0008] 一种光学薄膜X射线反射率、荧光强度及光谱数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0009] 1)数据采集模块采集光学薄膜参数，并将其传输到数据调整模块；

[0010] 2)数据调整模块对接收到的数据进行调整后，传输给数据处理模块；

[0011] 3)数据处理模块根据光学薄膜参数数据计算反射率、荧光强度及荧光谱，并将计算结果发送给数据显示模块；

[0012] 4)数据显示模块将计算结果进行显示。

[0013] 所述的数据处理模块根据光学薄膜参数数据计算反射率、荧光强度及荧光谱具体包括：

[0014] 31)单层膜以及多层膜的反射率计算；

[0015] 32)膜层中X元素的荧光计算。

[0016] 所述的单层膜以及多层膜的反射率计算具体如下：

[0017] 首先考虑平行光入射单层膜，假定在折射率为n2的光学基板上有一层厚度均匀的光学薄膜，膜折射率为n1，膜的几何厚度为d1，入射介质的折射率为n0，当一束波长为λ的X射线以θ0照射到薄膜上表面时，发生折射与反射，其中折射角为θ1，反射角θ′0；光束在薄膜上下两表面多次反射，因而产生一组反射光束1、2、3...和一组透射光束1′、2′、3′...，如果入射光的振幅为E0，则各反射光束的振幅为

[0018]

[0019] 其中分别表示在两个界面上的反射系数和透射系数，由斯托克斯定律可知，

[0020] 式(1)中为膜的位相厚度，两相邻光束间的位相差为2δ1；反射光的合振幅ER为：

[0021]

[0022] 故单层膜的反射系数r为

[0023]

[0024] 式中的可由菲涅尔公式求得；

[0025] 单层膜的两个界面用一个等效界面来代替，膜的折射率为nk，入射介质的折射率为nk-1，出射介质的折射率为nk+1，膜的位相厚度是δk，k+1，设单层膜上界面的反射系数为rk，下界面的反射系数为rk+1，于是这个单层膜的等效界面的反射系数为rk，k+1

[0026]

[0027]

[0028] 将单层膜的反射率计算推广到多层膜，设膜层数为N，入射介质为第O层，基底为第N+1层，首先从基底膜层开始，基底膜层r＝0，将膜层的两个界面等效成一个界面，然后在将这个等效界面与上一个界面等效为一个界面，依次向上递推到膜系的顶层第一个界面，由迭代运算计算各层的反射率

[0029]

[0030] 同理，可计算各层的透射率

[0031]

[0032] 其中rk和tk可由菲涅尔公式求得，设界面上下两层的折射率为nk-1和nk，入射角为θk-1，折射角为θk，入射光振幅Ek-1，反射光和折射光的振幅分别为E′k-1和Ek；由菲涅尔公式计算反射系数和透射系数rk和tk

[0033]

[0034] 当多层膜界面非理想光滑，而是渐变的，假设粗糙度为σ，则：

[0035]

[0036] 所述的膜层中X元素的荧光计算具体过程如下：

[0037] 平面电磁波入射多层膜第k-1层与第k层界面，则在距界面层上z厚度的某一点处电场强度由入射电场强度和出射电场强度合成，和分别表示为

[0038]

[0039] 其中，和分别表示第k层表面电场强度振幅，第N+1层基底的电场强度振幅则z处的电场强度强度

[0040]

[0041] 根据X射线荧光光谱的基本参数法计算x元素产生的荧光强度

[0042]

[0043] 其中，Ix(θ)为荧光探测器接收到的荧光强度；Fx(θ)为样品中的荧光产额；G(θ)为几何因子，εdet代表探测器的采集效率，Tair表示荧光在空气中的穿透率，W⊥表示探测光斑的纵向长度，g(θ，t)为入射光强度分布函数，为探测光斑横向宽度的矩形函数；表示荧光产生截面，τx(E0)代表光电散射截面；代表平均荧光产额；g代表各荧光线的相对发射率；f为吸收边的跳高；(μ/ρ)k，E为X元素的质量衰减因子；为荧光探测器与样品表面所成夹角；Ck，x(z)表示X元素在多层膜中的浓度分布；Ik(θ，z)表示膜层中的电场强度分布情况；

[0044] 以上情况均认为入射光为绝对平行光，实际实验中入射光为非平行光，设其发散度为a时，

[0045]

[0046] 其中，I(a)为入射x射线的光强分布函数。

[0047] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：

[0048] 1、实现成本低、可靠性高，通过普通计算机即可实现，其可靠性较高。

[0049] 2、操作简单，易于学习，同样适用于初学者。

[0050] 3、直观性好，对已有实验模型结构可直观体现其反射率、荧光强度以及荧光谱。

[0051] 4、仿真性高，适用范围广，可通过修改实验参数(如入射光强度、发散度、样品大小等)，对各种实验条件下的样品进行模拟计算，适用范围广。附图说明

[0052] 图1为单层膜反射示意图；

[0053] 图2为界面上的反射系数与透射系数示意图；

[0054] 图3为等效界面示意图；

[0055] 图4为本发明的具体实现流程图。

具体实施方式

[0056] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

[0057] 实施例

[0058] 本发明以菲涅尔方程为基础，并考虑薄膜非理想界面(有粗糙度、扩散层等)及非平行光源(有发散度等)对反射率及荧光的调制，最终形成与实际制备薄膜相一致的反射率曲线、荧光强度及光谱。

[0059] 1、理想界面的反射率计算

[0060] 首先考虑平行光入射单层膜，如图1，假定在折射率为n2的光学基板上有一层厚度均匀的光学薄膜，膜折射率为n1，膜的几何厚度为d1，入射介质的折射率为n0，当一束波长为λ的X射线以θ0照射到薄膜上表面时，发生折射(折射角θ1)与反射(反射角θ′0)。光束在薄膜上下两表面多次反射，因而产生一组反射光束1、2、3...和一组透射光束1′、2′、3′...，如果入射光的振幅为E0，则各反射光束的振幅为

[0061]

[0062] 如图2所示，其中分别表示在两个界面上的反射系数和透射系数，由斯托克斯定律可知，

[0063] 式(1)中为膜的位相厚度，两相邻光束间的位相差为2δ1；反射光的合振幅ER为：

[0064]

[0065] 故单层膜的反射系数r为

[0066]

[0067] 式中的可由菲涅尔公式求得；

[0068] 如图3所示，单层膜的两个界面用一个等效界面来代替，膜的折射率为nk，入射介质的折射率为nk-1，出射介质的折射率为nk+1，膜的位相厚度是δk，k+1，设单层膜上界面的反射系数为rk，下界面的反射系数为rk+1，于是这个单层膜的等效界面的反射系数为rk，k+1[0069]

[0070]

[0071] 将单层膜的反射率计算推广到多层膜，设膜层数为N，入射介质为第O层，基底为第N+1层，首先从基底膜层开始，基底膜层r＝0，将膜层的两个界面等效成一个界面，然后在将这个等效界面与上一个界面等效为一个界面，依次向上递推到膜系的顶层第一个界面，由迭代运算计算各层的反射率

[0072]

[0073] 同理，可计算各层的透射率

[0074]

[0075] 其中rk和tk可由菲涅尔公式求得，设界面上下两层的折射率为nk-1和nk，入射角为θk-1，折射角为θk，入射光振幅Ek-1，反射光和折射光的振幅分别为E′k-1和Ek；由菲涅尔公式计算反射系数和透射系数rk和tk

[0076]

[0077] 当多层膜界面非理想光滑，而是渐变的，假设粗糙度为σ，则：

[0078]

[0079] 所述的膜层中X元素的荧光计算具体过程如下：

[0080] 平面电磁波入射多层膜第k-1层与第k层界面，则在距界面层上z厚度的某一点处电场强度由入射电场强度和出射电场强度合成，和分别表示为

[0081]

[0082] 其中，和分别表示第k层表面电场强度振幅，第N+1层基底的电场强度振幅则z处的电场强度强度

[0083]

[0084] 根据X射线荧光光谱的基本参数法计算x元素产生的荧光强度

[0085]

[0086] 其中，Ix(θ)为荧光探测器接收到的荧光强度；Fx(θ)为样品中的荧光产额；G(θ)为几何因子，εdet代表探测器的采集效率，Tair表示荧光在空气中的穿透率，W⊥表示探测光斑的纵向长度，g(θ，t)为入射光强度分布函数，为探测光斑横向宽度的表示荧光产生截面，τx(E0)代表光电散射截面；代表平均荧光产额；g代表各荧光线的相对发射率；f为吸收边的跳高；(μ/ρ)k，E为X元素的质量衰减因子；为荧光探测器与样品表面所成夹角；Ck，x(z)表示X元素在多层膜中的浓度分布；Ik(θ，z)表示膜层中的电场强度分布情况；

[0087] 以上情况均认为入射光为绝对平行光，实际实验中入射光为非平行光，设其发散度为a时，

[0088]

[0089] 其中，I(a)为入射x射线的光强分布函数。

[0090] 如图4所示，其中GIXRF_Main.m：主运行程序；

[0091] read_parm_layers.m：读取.mod文件中的膜层结构；

[0092] multilayerplot.m：将获得的膜层结构绘制成多层膜几何结构图；

[0093] footcorrection.m：有关光斑大小修正；

[0094] primary.m：计算实验条件反射率和荧光计算的影响，如：入射角、发散度、入射狭缝、样品到探测器的距离；

[0095] efield53.f90：计算电场强度；

[0096] liparr4.f90：计算x射线反射率；

[0097] refrac3.m：计算材料的吸收和散射系数；

[0098] calmumolecule.m：计算材料的质量衰减因子；

[0099] caldensityprofile.m：样品中元素浓度分布函数；

[0100] calfluointensityII.m：计算荧光强度；

[0101] calelasticmain.m：计算弹性散射和康普顿散射强度；

[0102] fluospectrum.m：计算某一固定角度时样品的荧光光谱。

[0103] 本发明通过调节实验参数如入射光波长、强度、发散度、入射角的大小、样品大小、放置位置等，模拟计算反射率、荧光强度及荧光谱。

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