1.DBR 的反射密码

在精密光学领域，包括激光腔镜、光电器件、探测器、精密光电设备领域，DBR分布式布拉格反射镜高反膜（Distributed Bragg Reflector, DBR）是核心光学涂层之一。

DBR是高反镜设计中常见的一种光学膜层结构。典型的DBR反射镜是由1/4波长厚度的高折射率和低折射率材料交替组成。其反射率取决于组成对数、边界条件以及折射率差。

图1：分布式布拉格反射镜的结构与工作原理

如图，DBR实际就是两种折射率的介质交替叠层。一般光从光疏介质n1射向光密介质n2（折射率n2>n1）时，反射光会“翻个跟头”——相位突变180°（这叫半波损失）。但是光进入DBR时，薄膜上下表面各反射一次，两次反射的路程差恰好是半个波长，这本身也会带来180°的相位差。巧的是，半波损失又贡献了180°。两个180°加在一起是360°，相当于回到原点——两次反射光相位一致，不再抵消，而是叠加增强。所以DBR的层数越多，反射率就越高，用相位“负负得正”，最终DBR的反射系数可以达到很高的水平。

那为什么不用金属镜作反射呢？因为像以前的银镜、铝镜，虽然工艺很简单，但普遍反射率没有DBR好。金属镜反射率大约在95% 左右，DBR反射镜可达99.9% 以上，DBR还有很好的抗激光损伤能力，使用寿命也可以更长。

DBR典型的应用

DBR典型的应用有：作为垂直腔面发射激光器（VCSEL）的有源区的上下高反射镜，作为激光器腔镜中的精密高反射介质镜（HR dielectric mirror），还可以实现目前增长较快的硅光子（Silicon Photonics）/集成光子器件方向的应用。

图2a：DBR典型用途示例：VCSEL（垂直腔面发射激光器）

来自Semiconductor Lasers —— Fosco Connect

https://www.fiberoptics4sale.com/blogs/waveoptics/semiconductor-lasers

图2b：DBR典型用途示例：VCSEL（垂直腔面发射激光器）

来自Recent Progress in Heterogeneous III-V-on-Silicon Photonic Integration

https://www.light-am.com/en/article/doi/10.37188/lam.2021.005?

这是 DBR 最经典的应用之一。DBR在VCSEL结构中作用主要是：形成光学谐振腔、提高光反馈、降低激光阈值、控制发射波长等。

图3：分布式布拉格反射镜的结构与工作原理

DBR还有一类典型应用是作为激光器腔镜中的精密高反射介质镜，例如激光器腔镜/输出镜等。以固体激光器为例，例如 Nd:YAG、Nd:YVO₄、Ti:Sapphire等， 比较常见的有SiO₂/TiO₂ IBS-DBR复合涂层等，可作为高反射镜（HR mirror）或输出耦合镜（Output Coupler, OC）的镀膜层。

多层交替复合薄膜的膜厚均匀性、光学常数稳定性，直接决定光学器件的反射效率、光谱精度与使用寿命。

本文以21层DBR（分布式布拉格反射镜）为例，用椭偏仪开展系统表征与分析。

2.椭偏仪测量原理简述

椭偏仪是一种非接触、高精度的光学测量设备。它通过发射已知偏振态的偏振光照射样品，接收经膜层反射后偏振态的变化，从而直接获取薄膜的厚度和光学常数。

设备工作时，偏振光以特定角度入射到样品表面，经过多层膜界面多次反射后，反射光的偏振状态（Psi和Delta）发生改变。仪器内置的光谱仪记录下不同波长下的偏振变化数据，配套软件再通过建立光学模型、拟合实测光谱，即可同时解算出每层膜的厚度（d）、折射率（n）和消光系数（k）。

2.1 样品描述

本次测试样品为：

硅基DBR（布拉格反射镜）样品

制备方式：离子束溅射（IBS）

膜系结构：SiO₂（名义值107nm）/ TiO₂（名义值66nm） 交替堆叠，共21层

衬底：硅，最外层为TiO₂

本文以21层DBR（分布式布拉格反射镜）为例，用椭偏仪开展系统表征与分析。

2.2 椭偏仪测试与拟合结果

2.21  21层膜厚逐层分析结果：

椭偏仪一次性完成21层膜厚的逐层分析，结果如下：

GOF（拟合优度）：0.993

GOF达到0.993，光谱曲线整体趋势拟合度不错，反演结果相对可靠。

实测厚度与设计值（SiO₂ 107nm / TiO₂ 66nm）的偏差均在合理范围内，证明IBS工艺对该DBR膜系的厚度控制精准。

图4：椭偏仪21层膜厚分析结果

2.22  SiO₂膜层n、k分析结果

椭偏仪对DBR中的SiO₂膜层进行光学常数提取，得到其在测量波段内的折射率n和消光系数k曲线。折射率在1.45~1.52之间，消光系数接近零，与SiO₂材料特性完全吻合。

图5：椭偏仪测得的SiO₂的n、k曲线

2.23  TiO₂膜层n、k分析结果

TiO₂膜层的折射率在2.0 ~3.50之间（随波长变化），消光系数在可见光波段极低，与IBS制备的高质量TiO₂薄膜光学常数文献值一致。

图6：椭偏仪测得的TiO₂的n、k曲线

2.24 光谱拟合：Psi和Delta参数验证

椭偏仪测试中，拟合质量不仅看GOF和MSE，最直观的判断是看Psi和Delta（或n、C、S）的实测值与模拟值是否重合。

图7：椭偏仪Psi和Delta参数实测与拟合光谱对比

如图7，椭偏的多层膜拟合模型与实测光谱高度吻合，说明光谱曲线整体趋势拟合度不错，反演结果相对可靠。

3.结果分析

本次测试样品为：

椭偏仪可精准测量每层膜厚：21层逐一解析，GOF=0.993，结果可靠

椭偏仪可直接获取真实的n、k值：无需预设材料光学常数，直接通过偏振态变化拟合出n、k和d，数据更接近材料真值

拟合质量决定测量准确性：Psi和Delta实测与模拟曲线高度重合，验证了模型正确性

IBS工艺质量控制有效：21层交替膜系厚度偏差小，工艺稳定性良好

总而言之：椭偏仪不仅告诉你膜“有多厚”，还能直接给出材料“是什么、光学性能如何”的真实答案。

4.小结

对于复合光学涂层、DBR、光学滤波器等多层膜系，椭偏仪凭借其高灵敏度、非接触、信息丰富的优势，成为不可或缺的表征工具。一次测量，即可同时获得膜厚、折射率、消光系数，并通过光谱拟合质量直接验证结果可信度。

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