全能型分光光度计更快速、更准确地分析立体分光镜

摘要立体分光镜 (CBS) 是一类极为重要的光学元件，其广泛应用于消费品、高科技微定位设备和基于光纤的电信系统中。本应用简报介绍了使用 Agilent Cary 7000全能型分光光度计 (UMS) 对 CBS 进行现场、自动化和无人值守的透射率、反射率和吸光度测量。获得的光谱信息可在产品设计阶段给光学工程师提供有益的思路，并使 QA/QC 部门在最终测试中可以使用更好的控制指标；以上皆可在高分析效率下完成，并可满足常规分析工作量的需求。

前言顾名思义，CBS 的作用是将一束光线分为两个不同的传播路径，即反射光和透射光（图 1），通常其尺寸比骰子略小（0.5–1”，12.7–25.4 mm）。分开的光线可用于复制图像、分离颜色或偏振状态，或在激光应用中充当紧凑型干涉仪，用于纳米微定位系统。在任何条件下，要在 CBS 的设计、实施和质量控制方面取得成功，需要充分了解透射光和折射光的光谱信息。在中间斜边上，有时也会在外表面上沉积介质（光学）镀膜，以确定 CBS 的波长以及偏振特征。此项测量的一个难点在于内部多层镀膜的光学性能会受当前的光电机械环境所影响，比如用于粘结两片棱镜的粘结剂的折射率。作为开放式表征方法，在粘结两片棱镜之前，需要对介质镀膜进行现场测量，得到与组装后的完整立方体不同的结果。

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Cary 7000 UMS 可进行同一系统的透射光和反射光的光谱表征，不需要移动样品，因此入射光也保持不变。对样品上相同位置的透射率 (T) 和反射率 (R) 的现场测量结果，可用于计算出精确的吸光度 (A = 1–T–R) 数据，从而深入了解基底和镀膜性能。分析光谱中的全损失时，研究人员此前已发现可导致数据质量问题的人为因素。已见诸报导 [1] 的人为因素包括：• 测量 T 和 R 时的入射角度 (AOI) 变化• 镀膜厚度轻微不均匀• 镀膜的吸光和干涉效应的联合作用本应用简报中展示了使用 Cary 7000 UMS 收集数据。不移动样品而测量 T 和 R，即排除了 AOI 变化以及镀膜厚度不均匀的影响。

分光镜类型可根据立体分光镜最终用途的光学需求进行粗略的分类。本文将给出基本概述，以着重强调每种分光镜类型的核心光学性能。覆盖的波长范围可以很宽，例如整个可见光光谱，或者适用于特定激光束的窄带，比如 632.8 HeNe 激光。分光镜的镀膜可以控制波长范围，但要求所设波长范围的光线可透过基底材料。BK7 玻璃是一种用于可见光谱的低成本材料，但在紫外和近红外波长范围内剧烈衰减。熔融石英的成本较高，但光学损失更少且波长范围更宽，因此是高能激光应用的材料。

用于连结两片棱镜的粘结方法是实现最终用途的重要考虑因素。光学胶合剂可用于制备高度稳定（机械）CBS，但此结构更适合低光学能量的应用。Norland Optical Adhesive61（“NOA 61”）就是一种光学胶合剂。其为透明、无色、液态光聚合物，在紫外线下会发生硬化。另一方面，高能激光应用必须避免使用光学胶合剂，转而使用可替代光学胶合剂的光学接触法或者折射率匹配的油类。这些方法的能量阈值更高，但由于机械稳定性较差，因此在处理和使用时请务必谨慎。CBS 的偏振性能一般用于基于激光的干涉仪设备。例如，干涉纳米定位系统的性能部分程度上由 CBS 的高 Tp/Ts 比率和相对应的高 Rs/Rp 比率这一要求所决定。本应用简报中所测量的 CBS 正是此类偏振分光镜的一个例子，其性能如图 2 中所示。

实验部分样品选取边长为 25 mm 的 CBS，其采用分光镜和由二氧化硅制成的防反射镀膜。使用光学胶粘剂粘合两个棱镜。3仪器采用 Cary 7000 UMS 进行数据收集，它是一种高度自动化的可变角度绝对镜面反射率和透射率测量系统。借助 Cary7000 UMS，操作员可通过独立电机驱动控制样品的入射角以及检测器的位置，其中检测器可围绕样品在一定弧度内自由旋转。对样品旋转和探测器位置进行独立控制可实现CBS 的快速、精确和自动化测量。过去，分别使用不同附件的分光光度计测量反射率和透射率。在实际操作过程中，由于测试模式（附件）和样品上照明光束的移动之间，照明光束的光斑尺寸会有所变化，导致样品上被测试区域也会不同。如果沉积过程形成厚度不均匀的镀膜，将会影响反射率和透射率测量。在 Cary 7000 UMS 问世以后，现在可以测量同一样品点的T 和 R 而不移动样品，消除了这一人为因素对结果的影响。此外，样品可以自动旋转 180°，实现了正向和逆向静态 T和 R 的测量。每种情况下，都可以不移动样品而测量同一点的 T 和 R。在本研究中，使用 Cary 7000 UMS 获取 0° 入射角下的 s和 p 偏振入射光的透射数据。如图 3 中所示，在入射光90° 方向上收集反射数据，并在 0° 方向（直接）上收集透射数据。样品装载方式为立方的中心和入射光的焦点重合，并位于样品和检测器的旋转轴上。样品上入射光锥角的垂直和水平孔径控制在 2° 以内。在 500-720 nm 范围内进行光谱测量，数据间隔为 1 nm，光谱带宽为 5 nm，光谱平均时间为 0.5 s。

结论Cary 7000 UMS 在表征立体分光镜性能方面已显示出巨大的潜力。该系统实现了样品旋转和检测器位置的独立和自动化控制。这种无需移动样品即可测量 T 和 R 的*能力，可保持样品的入射光不变，同时可获得分光镜吸光度的详细光谱信息。Cary 7000 UMS 可实现快捷、简便且全自动化的数据采集，是 QA/QC 环境的理想选择。