椭偏测量原理

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1、实用标准文案引言椭偏法测量薄膜厚度和折射率的研究精彩文档实用标准文案在近代科学技术和日常生活中，各种薄膜的应用日益广泛。因此，能够迅速和精确地测量薄膜参数是非常重要的。在实际工作中可以利用各种传统的方法测定薄膜光学参数，如：布儒斯特角法测介质膜的折射率，干涉法测膜厚。另外，还有称重法、X射线法、电容法、椭偏法等等。其中，因为椭圆偏振法具有测量精度高，灵敏度高，非破坏性等优点，并可用于研究固体表面及其膜层的光学特性，已在光学、半导体学、凝聚态物理、生物学、医学等诸多领域得到广泛的应用。椭圆偏振测厚技术是一种测量纳米级薄膜厚度和薄

2、膜折射率的先进技术，同时也是研究固体表面特性的重要工具。一、实验目的1、了解椭偏仪的构造和椭圆偏振法测定薄膜参数的基本原理。2、通过对薄膜样品厚度和折射率的测量，初步掌握椭圆偏振仪的使用和数据处理的方法。二、实验原理1、椭偏法测量薄膜参数的基本原理P’精彩文档实用标准文案PDi1F精彩文档实用标准文案图7-1椭圆偏振光的产生P－起偏器，D－1/4波片图7-2椭圆偏振光的产生i1F－薄膜样品，P’－检偏器精彩文档实用标准文案光是一种电磁波，且是横波。电场强度E和磁场强度H与光的传播方向构成一个右旋的正交三矢族。与光的强度、

3、频率、位相等参量一样，偏振态也是光的基本量之一。如果已知入射光束的偏振态，当测得通过某薄膜后的出射光偏振态，就能确定该薄膜影响系统光学性能的某些物理量，如折射率、薄膜厚度等。如图7-1所示，一束自然光（非偏振激光）经过起偏器后变成线偏振光，改变起偏器的方位角可以改变线偏光的振动方向。此线偏光穿过1/4波片后，由于双折射效应分成两束光，即o光和e光。对正晶体的1/4波片，o光沿快轴方向偏振，e光沿慢轴方向偏振，o光的振动位相超前e光ð/2；对负晶体的1/4波片情况反之。因此，o光e光合成后的光矢量端点形成椭圆偏振光。当椭圆偏振光入

4、射到待测的膜面上时，如图7-2所示，反射光的偏振态将发生变化，对于一定的样品，总可以找到一个起偏方位角，使反射光由椭圆偏振光变成线偏振光。这时，转动检偏器，在某个方位角下得到消光状态。这种方法被称为1精彩文档实用标准文案消光测量法。下面来分析如何通过椭偏方法测量薄膜折射率和厚度。图7-3所示为光在一均匀和各向同性的单层介质膜上的反射和折射。单层介质膜有两个平行的界面，通常，上部是空气（或真空），即折射率n1＝1。中间是一层厚度为d、折射率为n2的介质薄膜，下层是折射率为n3的衬底，介质薄膜均匀地附在衬底上。当一束光射到薄膜面上时

5、，在上界面和下界面形成多次反射和折射，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i1为光的入射角，i2和i3分别为在上界面和下界面上的折射角。根据折射定律有图7-3光的反射和折射图7-3光的反射和折射精彩文档实用标准文案（7-1）精彩文档实用标准文案3精彩文档实用标准文案光波的电矢量可以分解成在入射面内振动的p分量和垂直于入射面振动的s分量．若用Eip和Eis分别代表入射光电矢量的p和s分量，用Erp及Ers分别代表反射光电矢量的p分量之和及s分量之和，则膜对两个分量的总反射系数Rp和Rs定义为

6、精彩文档实用标准文案（7-2）精彩文档实用标准文案考虑光从空气中入射到薄膜上，则n1=1。在下界面，考虑两束相邻的反射光，其光程差（是否有ë/2的相位差取决于n2和n3的关系）精彩文档实用标准文案因为÷=n2(AC+CB)−ADdAC=CB=，AD=ABsini=2dsini⋅tani精彩文档实用标准文案（7-3）精彩文档实用标准文案所以cosi2112精彩文档实用标准文案÷=2nd−⋅=精彩文档实用标准文案-10922dsini1tani22cosndi-13（7-4）精彩文档实用标准文案cos

7、i222精彩文档实用标准文案则任意相邻两束反射光之间的位相差äð÷ð24ð4222精彩文档实用标准文案2==cosndi=dn−nsini-40（7-5）精彩文档实用标准文案ëë22ë211精彩文档实用标准文案式中，ë为真空中的波长，d和n2为介质膜的厚度和折射率．由菲涅尔公式精彩文档实用标准文案r=tan(i-i)/tan(+)精彩文档实用标准文案1p12-13ii12精彩文档实用标准文案r=-sin(i-i)/sin(+)精彩文档实用标准文案21s12ii12

8、精彩文档实用标准文案r=tan(i-i)/tan(+)精彩文档实用标准文案2p23ii23精彩文档实用标准文案r=-sin(i-i)/sin(+)（7-6）精彩文档实用标准文案可得2s23+ii23−i2ä精彩文档实用标准文案Erre精