基于快轴可调弹光调制的椭偏测量技术研究

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1、１０１１０单位代码：ＴＮ２１分类号：学号：Ｍ５麵９．丨ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔＯｆＣｌｉｍａｙ博士学位论文基于快轴可调弹光调制的椭偏测量技术研究—＿＿博士研究生―ｕ？４０＾＊Ｍ，９ＩＩＩ：：＇王黎明教＾Ｗｗｍｍｒｎ？指导教师』ｋ＾．遽—？．．．…．Ｘ一織．．图书分类号TN21密级非密注UDC1681.5博士学位论文基于快轴可调弹光调制的椭偏测量技术研究指导教师（姓名、职称）王黎明教授申请学位级别工学博士专业名称信息与通信工程论文提交日期2018年0

2、6月02日论文答辩日期2018年05月30日学位授予日期2018年月日论文评阅人潘时龙陈磊张文梅张雪英肖亮郭兴龙韩焱答辩委员会主席宋萍2018年06月02日Ph.D.DissertationTheresearchofellipsometrybasedonfastaxisadjustablephotoelasticmodulationByLiKewuSupervisorProf.WangLimingNorthUniversityofChinaMay2018中北大学学位论文基于快轴可调弹光调制的椭偏测量技术研究摘要椭偏测量技术是一种多

3、功能光学测量技术，通过测量偏振光入射薄膜样品前后偏振态的变化能够获取薄膜光学常数、结构及厚度等参数，具有设备操作简单，测量周期短，测量成本低，非接触无损测量，便于实现原位、在线测量等显著优点。椭偏测量技术已被广泛应用于微电子、光学镀膜、平板显示和光伏太阳能电池等行业，并逐渐拓展应用于生物分子互作用、原子沉积、分子自组装、材料相变等物理过程观测，在生命科学、纳米科技和新材料技术等高新技术领域展现出应用潜力。然而，这些新型应用对椭偏仪的测量速度、灵敏度和仪器设备的自动化程度等性能参数提出越来越高的要求。因此，如何进一步提高椭偏测量的速

4、度和灵敏度，并兼顾全范围测量和仪器自动化控制，成为当前椭偏测量技术发展亟待解决的重要科学问题。为解决好上述问题，本论文首次提出快轴可调弹光偏振调制方法，并研制了快轴可调弹光调制器（FastaxisadjustablePhotoelasticModulator,FaaPEM），利用FaaPEM快轴方位角和相位延迟量可灵活调节的偏振调制优势，搭建了基于快轴可调弹光调制的椭偏测量系统，并探索了该椭偏测量系统在生物传感领域的应用研究。本论文完成的主要研究工作及取得的成果如下：1、首先从偏振原理出发，详细分析了弹光调制基本理论，本文首次提出

5、了一种45双驱动的FaaPEM结构，并建立了快轴可调弹光调制理论模型。该类型弹光调制具有纯驻波和纯行波两种优异的偏振调制模式。纯驻波模式下，快轴方位角和相位延迟量能够通过调节两驱动电压幅值实现调节；纯行波模式下，相位延迟量为一常数，快轴以FaaPEM谐振频率的半频做圆周运动。2、通过解决压电驱动器与通光晶体频率匹配、胶合和固定的关键技术难题，研制了FaaPEM的光学头；设计了由FPGA控制电路、全桥逆变电路和LC谐振电路组成的驱动控制系统，驱动电压信号的频率、幅值和相位等参数通过FPGA中实现的DDS进行调节，满足了FaaPEM

6、的纯驻波和纯行波两种偏振调制模式的驱动需求；设计了偏振调制实验，对FaaPEM的偏振调制性能进行了实验测试，提供了两种偏振调制模式的实验验证方法，并完成了FaaPEM频率和相位延迟量中北大学学位论文等参数定标。3、利用FaaPEM快轴可调的偏振分析优势，搭建了快轴可调弹光调制型椭偏测量系统；针对FaaPEM工作特点及调制信号特点，结合FPGA的硬件资源，设计了基于FPGA的FaaPEM驱动控制及数字锁相数据处理方案，实现了椭偏参量的高速、高灵敏、全范围、原位测量；利用搭建好的系统对SiO2/Si薄膜样品进行了测试，结果表明椭偏参量

7、的测量灵敏度可达10-3，单次测量时间在毫秒量级。4、探索椭偏测量系统在生物传感领域的应用研究，建立了椭偏生物传感新方案。对生物膜系统的椭偏参量进行了数值计算仿真；设计了半柱面棱镜耦合的生物传感反应池，实现了检测光源以准布儒斯特角入射生物膜系统；应用快轴可调弹光调制型椭偏测量系统直接测量椭偏参量和，实现了溶液折射率和生物薄膜等效厚度及表面质量密度的同时监测。免疫反应传感实验表明，该椭偏生物传感新方案具有快速、高灵敏、原位、免样品标记、操作简单和低成本等传感应用优势。本论文的研究将有助于椭偏测量技术的发展，并对椭偏测量技术的拓

8、展应用提供一定的理论依据和经验。关键词：椭偏测量技术，弹光调制，快轴可调，调制模式验证，数字锁相，生物传感应用中北大学学位论文AbstractEllipsometryisakindofmultifunctionalopticalmeasuremen