大學(xué)物理教案橢圓偏振_0

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1、精品文檔大學(xué)物理教案橢圓偏振12345橢圓偏振測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)定薄膜光學(xué)參數(shù)，如：布儒斯特角法測(cè)介質(zhì)膜的折射率，干涉法測(cè)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(cè)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(cè)厚技術(shù)是一種測(cè)量納米級(jí)薄膜厚度和薄膜折射率的先進(jìn)技

2、術(shù)，同時(shí)也是研究固體表面特性的重要工具。橢圓偏振測(cè)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(xiàng)內(nèi)容。2016全新精品資料-全新公文范文-全程指導(dǎo)寫作–獨(dú)家原創(chuàng)19/19精品文檔二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)橢偏法的測(cè)量原理與方法；、測(cè)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(dòng)橢圓偏振測(cè)厚儀四、實(shí)驗(yàn)原理光是一種電磁波，且是橫波。電場(chǎng)強(qiáng)度E、磁場(chǎng)強(qiáng)度H和光的傳播方向構(gòu)成一個(gè)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(cè)得通過(guò)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)，式中：n

3、,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(cè)的膜面上。反射時(shí)光的偏振態(tài)將發(fā)生變化。通過(guò)檢測(cè)這種變化，便可計(jì)算出待測(cè)膜面的光學(xué)參數(shù)。對(duì)于一定的樣品，總可以找到一個(gè)起偏方位角P，使反射光由橢圓偏振光變成線偏振光。這時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器，在某個(gè)檢偏器的方位角A下得到消光狀態(tài)，即沒有光到達(dá)光電倍增管。以上方法被稱為消光測(cè)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(shuō)明。2016全新精品資料-全新公文范文-全程指導(dǎo)寫作–獨(dú)家原創(chuàng)19/19精品文

4、檔圖一所示為一光學(xué)均勻和各向同性的單層介質(zhì)膜。它有兩個(gè)平行的界面。通常，上部是1折射率為n1的空氣。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(shí)，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rs和rp：rs?rsej?s，rp?rpej?p。其中復(fù)反射率的模表示反射光振幅大小的改變，?p和?s表示反射光相位的改變，又設(shè)：ts?rprsj?s而兩分量的相位變化差之差?s?

5、?p??s則：rp/rs?tse自然光2016全新精品資料-全新公文范文-全程指導(dǎo)寫作–獨(dú)家原創(chuàng)19/19精品文檔2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(chǎng)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rp??r?r1?rr1p1p2pe?i2??i2?e2p?，rs??r?r1?rr1s1s2se?i2??i2?2016全新精品資料-全新公文范文-全程指導(dǎo)寫作–獨(dú)家原創(chuàng)19/19精品文檔e2s?式中，r1p、r2p為界面1、2處p分量的振幅反射系數(shù)，r1s、r2s為界面1、2處s分量的振幅反射

6、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：??2?2??n2dcos?2??dn2?n1sin222?1式中，?1、?2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tan??ei??rP/rS2016全新精品資料-全新公文范文-全程指導(dǎo)寫作–獨(dú)家原創(chuàng)19/19精品文檔2?r?r?1?rr1p1pe2p?i??i?22e2p??1?rrr?r1s1se2se2s?i??i?22?式中，ψ和Δ稱為橢偏參數(shù)并具有角度量值，是n1，n2，n3，?1，λ及d的函數(shù)，由于n1，n3

7、，λ，?1為已知量，只要利用實(shí)驗(yàn)測(cè)出ψ和Δ，并利用計(jì)算機(jī)作數(shù)值計(jì)算，即可得到薄膜折射率n2和厚度d。為此，令e?i2??x，得到2016全新精品資料-全新公文范文-全程指導(dǎo)寫作–獨(dú)家原創(chuàng)19/19精品文檔tan??ei????r?r1?rr1p2p?x??1?r1sr2s?x??x?r1s?r2s?x?，1p2p展開后，有ax?bx?c?0，式中:2a?r2pr2s,?r2s)r1pr1s?,i??r1p?ia2解上述一元二次方程，得兩個(gè)復(fù)根：x1?x10e,x2?x20e根據(jù)上述假設(shè)，x的模應(yīng)為1，故在x1、

8、x2中選取模更接近1的一個(gè)作為解。設(shè)解為x?x0e2016全新精品資料-全新公文范文-全程指導(dǎo)寫作–獨(dú)家原創(chuàng)19/19精品文檔d?4??ia0，即可求得?a0n2?n1sin?1222測(cè)量時(shí)，利用電機(jī)分別帶動(dòng)檢偏器和起偏器轉(zhuǎn)動(dòng)找到處于消光狀態(tài)時(shí)的檢偏角A和起偏角P，根據(jù)下式計(jì)算橢偏參數(shù)Ψ、Δ：??A????m?180??90??2P,?需要說(shuō)明的是，上述測(cè)得的薄膜厚度d為一個(gè)周期內(nèi)的值