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1、橢圓偏振__________________________________________________橢圓偏振測量實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)背景在近代科學(xué)技術(shù)的許多門類中對各種薄膜的研究和應(yīng)用日益廣泛。因此，能夠更加迅速和精確地測量薄膜的光學(xué)參數(shù)已變得非常迫切。在實(shí)際工作中可以利用各種傳統(tǒng)的方法，測定薄膜光學(xué)參數(shù)，如：布儒斯特角法測介質(zhì)膜的折射率，干涉法測膜厚。另外，還有稱重法、X射線法、電容法、橢偏法等等。其中，因?yàn)闄E圓偏振法具有測量精度高，靈敏度高，非破壞性等優(yōu)點(diǎn)，故已在光學(xué)、半導(dǎo)體學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。橢圓偏振測
2、厚技術(shù)是一種測量納米級薄膜厚度和薄膜折射率的先進(jìn)技術(shù)，同時也是研究固體表面特性的重要工具。橢圓偏振測量實(shí)驗(yàn)已成為高校近代物理實(shí)驗(yàn)中最重要的一項內(nèi)容。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)橢偏法的測量原理與方法；2、測量透明介質(zhì)薄膜厚度和折射率。三、實(shí)驗(yàn)儀器TPY-2型自動橢圓偏振測厚儀____________________________________________________________________________________________________四、實(shí)驗(yàn)原理光是一種電磁波，且是橫波。電場強(qiáng)度E、磁場強(qiáng)度H和光的傳
3、播方向構(gòu)成一個右旋的正交三矢族。偏振態(tài)可以作為一種光學(xué)探針。如果已知入射光束的偏振態(tài)，一旦測得通過光學(xué)系統(tǒng)后出射光的偏振態(tài)，就可確定薄膜的特性參數(shù)（n,d,k），式中：n,d,k分別為薄膜的折射率、厚度及吸收系數(shù)。使一束自然光（非偏振激光）經(jīng)起偏器變成線偏振光，再經(jīng)1/4波片，使它變成橢圓偏振光，入射到待測的膜面上。反射時光的偏振態(tài)將發(fā)生變化。通過檢測這種變化，便可計算出待測膜面的光學(xué)參數(shù)。對于一定的樣品，總可以找到一個起偏方位角P，使反射光由橢圓偏振光變成線偏振光。這時，轉(zhuǎn)動檢偏器，在某個檢偏器的方位角A下得到消光狀態(tài)，即沒有光
4、到達(dá)光電倍增管。以上方法被稱為消光測量法?，F(xiàn)以普通玻璃表面鍍以透明單層介質(zhì)膜為例作一說明。圖一所示為一光學(xué)均勻和各向同性的單層介質(zhì)膜。它有兩個平行的界面。通常，上部是折射率為n1的空氣（或真空）。中間是一層厚度為d折射率為n2的介質(zhì)薄膜，均勻地附在折射率為n3的襯底上。當(dāng)一束光射到膜面上時，在界面1和界面2上形成多次反射和折射，并且各反射光和折射光分別產(chǎn)生多光束干涉。其干涉結(jié)果反映了膜的光學(xué)特性。設(shè)薄膜表面的復(fù)振幅反射率分別為：____________________________________________________
5、________________________________________________，。其中復(fù)反射率的模表示反射光振幅大小的改變，表示反射光相位的改變，又設(shè)：ssφ1k0k1k2k3φ2φ3dn1n2n3界面1界面2自然光而兩分量的相位變化差之差則：圖一自然光在單層介質(zhì)膜表面的反射與折射根據(jù)電磁場的麥克斯韋方程和邊界條件及菲涅爾反射系數(shù)公式，可以導(dǎo)出，式中，r1p、r2p為界面1、2處p分量的振幅反射系數(shù)，r1s、r2s__________________________________________________
6、__________________________________________________為界面1、2處s分量的振幅反射系數(shù)，2δ系指薄膜表面的相繼兩束反射光因光程差而引起的位相差，它滿足：式中，分別為入射角、光在薄膜內(nèi)表面的入射角。于是得到如下橢偏方程 式中，ψ和Δ稱為橢偏參數(shù)并具有角度量值，是n1，n2，n3，，λ及d的函數(shù)，由于n1，n3，λ，為已知量，只要利用實(shí)驗(yàn)測出ψ和Δ，并利用計算機(jī)作數(shù)值計算，即可得到薄膜折射率n2和厚度d。為此，令，得到，展開后，有，式中:,,解上述一元二次方
7、程，得兩個復(fù)根：____________________________________________________________________________________________________根據(jù)上述假設(shè)，x的模應(yīng)為1，故在x1、x2中選取模更接近1的一個作為解（另一個舍去）。設(shè)解為，即可求得測量時，利用電機(jī)分別帶動檢偏器和起偏器轉(zhuǎn)動（掃描）找到處于消光狀態(tài)時的檢偏角A和起偏角P，根據(jù)下式計算橢偏參數(shù)Ψ、Δ：需要說明的是，上述測得的薄膜厚度d為一個周期（）內(nèi)的值，由知薄膜厚度的周期d0為：若實(shí)際膜厚大于d0
8、，設(shè)此時所對應(yīng)的周期數(shù)為j，則實(shí)際膜厚為：D＝（j－1）d0+dTPY－2型橢偏儀光路結(jié)構(gòu)如圖二所示：自然光起偏器φ1檢偏器光電倍增管1/4波片圖二橢偏儀光學(xué)原理圖__________________________________________
