椭圆偏振侧厚仪实验

《椭圆偏振侧厚仪实验》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、椭圆偏振测量薄膜厚度和折射率实验在近代科学技术的许多部门中对各种薄膜的研究和应用日益广泛。因此，更加精确和迅速地测定一给定薄膜的光学参数已变得更加迫切和重要．在实际工作中虽然可以利用各种传统的方法测定光学参数（如布儒斯特角法测介质膜的折射率、干涉法测膜厚等），但椭圆偏振法（简称椭偏法）具有独特的优点，是一种较灵敏（可探测生长中的薄膜小于0.1nm的厚度变化）、精度较高（比一般的干涉法高一至二个数量级）、并且是非破坏性测量。是一种先进的测量薄膜纳米级厚度的方法。它能同时测定膜的厚度和折射率（以及吸收系数）。因而，目前椭圆偏振法测量已在光学、半

2、导体、生物、医学等诸方面得到较为广泛的应用。这个方法的原理几十年前就已被提出，但由于计算过程太复杂，一般很难直接从测量值求得方程的解析解。直到广泛应用计算机以后，才使该方法具有了新的活力。目前，该方法的应用仍处在不断的发展中。一实验目的1了解椭圆偏振法测量薄膜参数的基本原理；2初步掌握椭圆偏振仪的使用方法，并对薄膜厚度和折射率进行测量。二实验原理椭偏法测量的基本思路是，起偏器产生的线偏振光经取向一定的１/４波片后成为特殊的椭圆偏振光，把它投射到待测样品表面时，只要起偏器取适当的透光方向，被待测样品表面反射出来的将是线偏振光．根据偏振光在反射

3、前后的偏振状态变化，包括振幅和相位的变化，便可以确定样品表面的许多光学特性．一、椭偏方程与薄膜折射率和厚度的测量使一束自然光经起偏器变成线偏振光。再经1/4波片，使它变成椭圆偏振光入射在待测的膜面上。反射时，光的偏振状态将发生变化。通过检测这种变化，便可以推算出待测膜面的某些光学参数。1.椭偏方程与薄膜折射率和厚度的测量如右图所示为一光学均匀和各向同性的单层介质膜。它有两个平行的界面。通常，上部是折射率为的空气（或真空）。中间是一层厚度为折射率为的介质薄膜，均匀地附在折射率为的衬底上。当一束光射到膜面上时，在界面1和界面2上形成多次反射和

4、折射，并且各反射光和折射光分别产生多光束干涉。其干涉结果反映了膜的光学特性。设表示光的入射角，和分别为在界面1和2上的折射角。根据折射定有（1）光波的电矢量可以分解成在入射面内振动的分量和垂直于入射面振动的s分量。若用和分别代表入射光的和分量，用及分别代表各束反射光,,,…中电矢量的分量之和及8s分量之和，则膜对两个分量的总反射系数和定义为和（2）经计算可得和(3)式中或和或分别为或分量在界面1和界面2上一次反射的反射系数。为任意相邻两束反射光之间的位相差。根据电磁场的麦克斯韦方程和边界条件可以证明(4)式（4）即有名的菲涅尔反射系数公式。

5、由相邻两反射光束间的程差，不难算出(5)式中λ为真空中的波长，和为介质膜的厚度和折射率，各角的意义同前。在椭圆偏振法测量中，为了简便，通常引入另外两个物理量ψ和Δ来描述反射光偏振态的变化。它们与总反射系数的关系定义如下：　　(6a)　　 (6b)式（6）简称为椭偏方程，其中的、称为椭偏参数（由于具有角度量纲也称椭偏角）。由（1），（4），（5）和（6）式已经可以看出，参数和是的函数。其中可以是已知量，如果能从实验中测出和的值，原则上就可以算出薄膜的折射率和厚度。这就是椭圆偏振法测量的基本原理。实际上，究竟和的具体物理意义是什么，如何测出

6、它们，以及测出后又如何得到和，均须作进一步的讨论。2.和的物理意义现用复数形式表示入射光的和分量(7)8式（7）中各绝对值为相应电矢量的振幅，各值为相应界面处的位相。由（6a），(2)和（7）式可以得到(8)　比较等式两端即可得(9)　(10)（9）式表明，参量与反射前后和分量的振幅比有关。而（10）式表明，参量与反射前后和分量的位相差有关。可见，和直接反映了光在反射前后偏振态的变化。一般规定，和的变化范围分别为。当入射光为椭圆偏振光时，反射后一般为偏振态（指椭圆的形状和方位）发生了变化的椭圆偏振光（除开的情况）。为了能直接测得和，须将实

7、验条件作某些限制以使问题简化。也就是要求入射光和反射光满足以下两个条件：（1）要求入射在膜面上的光为等幅椭圆偏振光（即 和二分量的振幅相等）。这时，，公式（9）则简化为　　　　　　　　　（11）（2）要求反射光为一线偏振光。也就是要求公式（10）则简化为　　　　　　（12）满足后一条件并不困难。因为对某一特定的膜，总反射系数比是一定值。公式（6a）决定了也是某一定值。根据（10）式可知，只要改变入射二分量的位相差，直到大小为一适当值（具体方法见后面的叙述），就可以使，从而使反射光变成一线偏掁光。利用一检偏器可以检验此条件是否已满足。以上两条

8、件都得到满足时，公式（11）表明，恰好是反射光的和分量的幅值比，是反射光线偏振方向与方向间的夹角，如右图所示。公式（12）则表明，恰好是在膜面上的入射光中和分量之间的位相差。二、