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1、橢圓偏振__________________________________________________橢圓偏振測量實驗一、實驗背景在近代科學技術的許多門類中對各種薄膜的研究和應用日益廣泛。因此，能夠更加迅速和精確地測量薄膜的光學參數已變得非常迫切。在實際工作中可以利用各種傳統(tǒng)的方法，測定薄膜光學參數，如：布儒斯特角法測介質膜的折射率，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，因為橢圓偏振法具有測量精度高，靈敏度高，非破壞性等優(yōu)點，故已在光學、半導體學、生物學、醫(yī)學等諸多領域得到廣泛的應用。橢圓偏振測
2、厚技術是一種測量納米級薄膜厚度和薄膜折射率的先進技術，同時也是研究固體表面特性的重要工具。橢圓偏振測量實驗已成為高校近代物理實驗中最重要的一項內容。二、實驗目的1、學習橢偏法的測量原理與方法；2、測量透明介質薄膜厚度和折射率。三、實驗儀器TPY-2型自動橢圓偏振測厚儀____________________________________________________________________________________________________四、實驗原理光是一種電磁波，且是橫波。電場強度E、磁場強度H和光的傳
3、播方向構成一個右旋的正交三矢族。偏振態(tài)可以作為一種光學探針。如果已知入射光束的偏振態(tài)，一旦測得通過光學系統(tǒng)后出射光的偏振態(tài)，就可確定薄膜的特性參數（n,d,k），式中：n,d,k分別為薄膜的折射率、厚度及吸收系數。使一束自然光（非偏振激光）經起偏器變成線偏振光，再經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參數。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膜為例作一說明。圖一所示為一光學均勻和各向同性的單層介質膜。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的介質薄膜，均勻地附在折射率為n3的襯底上。當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生多光束干涉。其干涉結果反映了膜的光學特性。設薄膜表面的復振幅反射率分別為：____________________________________________________
5、________________________________________________，。其中復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：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膜表面的反射與折射根據電磁場的麥克斯韋方程和邊界條件及菲涅爾反射系數公式，可以導出，式中，r1p、r2p為界面1、2處p分量的振幅反射系數，r1s、r2s__________________________________________________
6、__________________________________________________為界面1、2處s分量的振幅反射系數，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稱為橢偏參數并具有角度量值，是n1，n2，n3，，λ及d的函數，由于n1，n3，λ，為已知量，只要利用實驗測出ψ和Δ，并利用計算機作數值計算，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，得兩個復根：____________________________________________________________________________________________________根據上述假設，x的模應為1，故在x1、x2中選取模更接近1的一個作為解（另一個舍去）。設解為，即可求得測量時，利用電機分別帶動檢偏器和起偏器轉動（掃描）找到處于消光狀態(tài)時的檢偏角A和起偏角P，根據下式計算橢偏參數Ψ、Δ：需要說明的是，上述測得的薄膜厚度d為一個周期（）內的值，由知薄膜厚度的周期d0為：若實際膜厚大于d0
8、，設此時所對應的周期數為j，則實際膜厚為：D＝（j－1）d0+dTPY－2型橢偏儀光路結構如圖二所示：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原理圖__________________________________________
