薄膜厚度与折射律的测量

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1、當濮專决鸟折射律的測量在三级实验中测量薄膜厚度与折射律的方法共介绍了两个：椭圆偏振光法和迈克尔逊方法。一、椭圆偏振光法测定介质薄膜的厚度和折射律思路：在一光学材料上镀各向同性的单层介质膜后，光线的反射和折射在一般情况下会同时存在的•通常，设介质层为山、ii2、lb,e为入射角,那么在1、2介质交界面和2、3介质交界面会产生反射光和折射光的多光朿干涉，如图(1-1)2面而质膜底介薄衬用rip、ns表示光线的p分量、s分量在界面1、2间的总反射系数，用②、%表示光线的P分、s分量在界面乙3间的总反射系数.cos(p-n()cos(pcos(p+n0

2、cos(p、n()cos^-7?)cos(p}n(}cos0+®cos(pxn2cos(p}-nxcos%n2cos(p}+®cos%nxcos%-n2cos%®cos®+h2cos®膜上反射的两相邻光束的相位差》=¥・2®dcos%定义该薄膜系统的总反射比为:D(E)勺+印严°[—=“(E)1+W2严二©),•(E)7+丫20"1+M严定义（E）R—耳^r~nx（E）r+r严tgif/exp（込）一ip2pt-HX17yzE•exp[i（0p一0$力-K0p一0）]=（；.exp[K0『-0J]=rg鸭exp（込）Ep.7+DsC"1+"严

3、1+皿2严妙和△是口J以用椭偏仪测量的量，△的物理意义是椭I员I偏振光的P波和S波间的相位差经薄膜系统反射后发生的变化，tan0是椭圆偏振光相对振幅的衰减。而f2,0/1都是已知的，可通过测量0和4,然后通过计算机算出®,〃。/、或2吩,0＜吨时的等幅椭圆偏振光。简化：设定P轴为零点，正对光束行进方向，逆时针旋转为正，顺吋针旋转为负，设定1/4波片的快轴（FA）倾斜+45度，设线偏振光的电矢量E与P轴的夹角为0。JI则出射光为振幅为亍£,相位差为亍2叫=＜。＜注意：等幅椭圆偏振光和圆偏振光的区别，等幅椭圆偏振光是指在P轴和S轴方向幅度相同的偏振光

4、，圆偏振光是指在各个方向幅度都相同的偏振光。此时有閉卜'故改变起偏器方位角。使几=0或兀，这时反射光为线偏振光，、7T（兀、△=0「一0,=0（或龙）一（2。——）或20+—2（2丿因此可以通过测量0来确定△,而妙只与反射线偏振光的电矢量振动方向有关，口J通过检偏器的方位角0來测定妙（0在第一象限时，心，在第四象限时，屮=一0）。由此可见问题得到了大大的简化。二.迈克尔逊干涉仪测量薄膜厚度与折射律思路：边氏干涉仪产生干涉条纹的原理等效于以M2为上下表而的空气层的等倾薄膜干涉。干涉条纹的明暗决定于光程差与波长的关系，用口光照明时，只冇在d=0的附近

5、才能在M］、M交线处看到干涉条纹，这时对各种光的波长来说，其光程差均为彳2（反射吋附加&）,故产生直线黑纹，即所谓的屮央条纹,2两旁有对称分布的彩色条纹。d稍人时，因对各种不同波长的光，满足明暗条纹的条件不同，所产生的干涉条纹明暗互相重叠，结果就显不岀条纹来。只有用白光才能判断出中央条纹，利用这一点可定出d=0的位置。当视场屮出现屮央条纹Z后，在Mi与A之间放入折射率为n、厚度为/的透明物体，则此时程差要比原来增大△厶=2心-1)因而屮央条纹移出视场范围，如果将M］向A前移d,=—,则屮央条纹会2重新出现，测出d,可由下式d=/（/?-1）若已

6、知/可求出折射率n；若已知n,可求OH。这两个实验所要测的物理量（薄膜厚度和折射律）都是不易直接测量的量,厚度如果直接用测量长度的工具（譬如千分尺）测的话，由于薄膜本身很薄，所以由仪器精确度造成的相对误差太大；折射率如果利用折射定律来测量，那么角度的测量将会成为限制精度的最大因素。而这两个实验都进行了巧妙的转化，间接测量，大大提高了实验精度。在椭偏仪的实验屮，寻找岀了认与鸭、A的函数关系，而鸭、△是可以通过椭偏仪精确测量的，比如。可根拯光强最小来判断，而光强可以通过光电倍增管以数字的形式显示出来，既直观又精确。在迈氏干涉仪的实验屮，一方面仪器的精

7、度比较高，另一方面实验现象比较明显（视场中央岀现中央条纹），很容易确定位置，从而较精确的计算出d。因此，在以后的学习和工作屮，如呆遇到要测量一个直接测起来误差很大或不易直接测量的量，可以通过间接法来测量。考虑与该物理量有联系的公式或关系，（例如这两个实验都用到了△心2加cos&,将n,d转换为了△/和&,进而还可以进一步转化）转化为容易精确测量的物理量的测量。