基于原位共角SPR测量单层薄膜参数的ISOA方法与流程

技术特征：
1.一种基于原位共角spr测量单层薄膜参数的isoa方法，其特征在于按以下步骤进行：s1，原位共角测量反射光谱和干涉条纹信息：利用spr测量装置测量单层薄膜样品在连续波长λ范围内的干涉条纹信息和tm偏振波的反射光谱，测量过程中保持入射光的入射角和入射点不变，所述入射角为可激发spr效应的角度；s2，数据处理得到入射波长-反射率和入射波长-相位差关系曲线：处理步骤s1得到的反射光谱和干涉条纹信息，获得所述关系曲线；s3，改进人群搜索算法的数据初始化：从所述关系曲线中选取反射光谱及相位差数据，进行归一化处理得到处于同一量级的反射率值与相位差值数据集，作为改进人群搜索算法的输入值，并设置解算终止条件；s4，采用改进人群搜索算法基于目标函数进行反演计算，所述目标函数的大小反映反演计算与实验测得的反射率值之间、相位差值之间的相近度，所述目标函数以所述单层薄膜样品的待测参数向量a为函数参数，通过搜寻所述目标函数的最小值来求解参数向量a，a＝(n,k,d)，其中n为折射率，k为消光系数，d为厚度。2.根据权利要求1所述的基于原位共角spr测量单层薄膜参数的isoa方法，其特征在于：所述步骤s4中，将步骤s3获得的反射率值与相位差值数据集代入所述目标函数，初始化解空间{n，k，d}的搜索范围，采用改进人群搜索算法基于所述目标函数进行反演计算，根据所述目标函数的大小判断解的精确度，得到所述目标函数最小时所述单层薄膜样品的折射率n、消光系数k和厚度d；所述目标函数公式如式(1)：其中，q为涉及到的总的波长数量，代表通过算法反演计算得到的tm偏振波下的spr反射率值，表示的是从实验测得的反射光谱曲线中提取的tm偏振波下的第i个参考点的spr反射率值，δφ
cal
(i,a)代表通过算法反演计算得到的spr效应下te偏振波与tm偏振波的相位差值，δφ
exp
(i)表示的是从实验测得的入射波长-相位差曲线中提取的第i个参考点的spr效应下te偏振波与tm偏振波的相位差值，a代表包含需要确定参数的向量，a＝(n,k,d)。3.根据权利要求2所述的一种基于原位共角spr测量单层薄膜参数的isoa方法，其特征在于：所述步骤s4具体包括，s41，初始化各参数：设定最大迭代次数及最小逼近误差并初始化人群搜索算法的种群数量，初始化解空间{n，k，d}；s42，随机放置m(m>0且为自然数)个搜索者于解空间内，计算、评价m个搜索者位置的目标函数值，将第i个搜索者的位置置于个体最佳位置g
besti
，将所有搜索者中最好的位置置于全局最佳位置z
best
，并记录此时全局最佳位置对应的最小目标函数值min(f
fitness
)及所对应的解向量a；
s43，计算每一个搜索者i在j维空间的搜索方向d
ij
、自适应搜索步长α
ij
，进而对个体搜索者的位置进行更新，更新解向量a；s44，对每个搜索者将其目标函数值和其此前经历过的最优位置g
besti
的目标函数值f
fitness
(g
besti
)进行比较，若较好，则将其作为当前的最优位置；；s45，对每个搜素者将其目标函数值和全局经历过的最优位置z
best
的目标函数值f
fitness
(z
best
)进行比较，若较好，则将其作为当前的全局最优位置；s46，判断是否满足终止条件，若满足则停止搜索，输出最优解向量；否则重复步骤s43～s45继续迭代计算直至终止。4.根据权利要求3所述的一种基于原位共角spr测量单层薄膜参数的isoa方法，其特征在于：步骤s43中，改进人群搜索算法中自适应搜索步长的计算公式如式(2)：其中，ω为惯性权重，x
min
、x
max
分别为最小、最大目标函数值对应的位置，u
ij
为j维搜索空间第i个目标函数值的隶属度；其中u
ij
根据式(3)和(4)计算，u
ij
＝rand(u
i
,1),j＝1,....d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)，式(3)和(4)中，u
i
为第i个目标函数值的隶属度值，u
min
、u
max
分别为最小、最大隶属度值，rand(u
i
,1)为[u
i
,1]上的随机数，t为当前进化代数，t为总进化代数。5.根据权利要求4所述的一种基于原位共角spr测量单层薄膜参数的isoa方法，其特征在于：所述步骤s43中，搜索方向d
ij
按照式(5)确定，其中，为[0,1]区间上的随机实数；d
i,ego
、d
i,alt
和d
i,pro
分别为每一个搜索者i的利己方向、利他方向以及预动方向，分别表示为式(6)～(8)：d
i,ego
(t)＝g
i,best-x
i
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)，d
i,alt
(t)＝z
i,best-x
i
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)，d
i,pro
＝x
i
(t1)-x
i
(t2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)，其中，g
i,best
为当前最佳位置，z
i,best
为历史最佳位置，t1和t2分别为[t,t-1]和[t-1,t-2]范围内的值，x
i
(t1)和x
i
(t2)分别为[x
i
(t-2),x
i
(t-1)]和[x
i
(t-1),x
i
(t)]区间内的最佳搜索位置。6.根据权利要求1～5任意一项所述的一种基于原位共角spr测量单层薄膜参数的isoa方法，其特征在于：所述解算终止条件为迭代次数和最小逼近误差值，两者满足其中之一即终止迭代计算。7.根据权利要求1～5任意一项所述的一种基于原位共角spr测量单层薄膜参数的isoa方法，其特征在于：所述步骤s1中，入射光波长λ为连续波段，单位为nm。8.根据权利要求2所述的一种基于原位共角spr测量单层薄膜参数的isoa方法，其特征在于：所述单层薄膜样品为镀制于基底上的金属膜层，所述步骤s1中，利用spr测量装置进
行测量时，以基底-金属膜层-介质层为检测用的三相薄膜结构。9.根据权利要求2所述的一种基于原位共角spr测量单层薄膜参数的isoa方法，其特征在于：所述步骤s4中，通过算法反演计算tm偏振波下的spr反射率值和spr效应下te和tm偏振波的相位差值δφ
cal
依据式(9)～(14)进行，依据式(9)～(14)进行，依据式(9)～(14)进行，依据式(9)～(14)进行，依据式(9)～(14)进行，依据式(9)～(14)进行，其中，h、g分别代表p、m或m、s的组合，而p、m、s分别代表基底、金属膜层、介质层，r代表反射系数，ε代表介电常数，k
h(g)z
代表z方向的波矢，k
x
表示入射光波矢；介电常数实部ε
real
＝n
2-k2，介电常数虚部ε
imag
＝2nk，n、k分别表示折射率和消光系数。

技术总结
本发明公开了一种基于原位共角SPR测量单层薄膜参数的ISOA方法，步骤包括：先利用SPR测量装置原位共角测量单层薄膜反射光谱和干涉条纹信息，经数据处理得到入射波长-反射率和入射波长-相位差关系曲线，再对改进人群搜索算法的数据初始化，从关系曲线中选取反射光谱及相位差数据，进行归一化处理得到处于同一量级的反射率值与相位差值数据集，作为改进人群搜索算法的输入值，并设置解算终止条件；最后运行改进人群搜索算法基于目标函数进行反演计算，通过搜寻目标函数的最小值来求解参数向量a，即得到n为折射率，k为消光系数，d为厚度。本方法操作方便，经一次运算可得到连续多波长下的薄膜参数，具有精确度高和效率高的优点。具有精确度高和效率高的优点。具有精确度高和效率高的优点。


技术研发人员：岳翀 丁跃清 陶磊 周森 徐健
受保护的技术使用者：重庆市计量质量检测研究院
技术研发日：2022.08.29
技术公布日：2022/11/29