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1、椭偏仪测量薄膜厚度和折射率上海师范高校上海师范高校数理学院数理学院 闫爱民闫爱民近代物理试验一、背景介绍一、背景介绍二、试验目的二、试验目的三、试验仪器三、试验仪器四、试验原理四、试验原理五、试验内容与步骤五、试验内容与步骤六、思索题与探讨题六、思索题与探讨题内内 容容 提提 要要一、一、背背 景景 介介 绍绍1、薄膜的分类：透亮介质膜和金属膜。、薄膜的分类：透亮介质膜和金属膜。2、薄膜的光学与几何特征参数为、薄膜的光学与几何特征参数为n，d。n为为薄膜复折射率薄膜复折射率,nN-ik透亮介透亮介质质膜，无吸取膜，无吸取(k=0)，其折射率，其折射率为实为实数。数。d为为薄膜的厚度。薄膜的厚度
2、。3、常见测定薄膜光学参数的方法：、常见测定薄膜光学参数的方法：布儒斯特角法布儒斯特角法，干涉法、称重法干涉法、称重法、X射线法射线法、电容法电容法、椭偏法椭偏法等。等。4、椭偏法测量的优点：、椭偏法测量的优点：精度高，灵敏度高，无精度高，灵敏度高，无 破坏破坏性性等。在光学、半导体学、生物学、医学等诸多领域等。在光学、半导体学、生物学、医学等诸多领域已得到广泛应用。已得到广泛应用。二、试验目的二、试验目的了解椭偏光法测量原理和试了解椭偏光法测量原理和试验方法。验方法。熟悉椭偏仪器的结构和调试熟悉椭偏仪器的结构和调试方法。方法。测量介质薄膜样品的厚度和测量介质薄膜样品的厚度和折射率。折射率。椭
3、圆偏振法是椭圆偏振法是利用被测样品表面对利用被测样品表面对椭偏光椭偏光的的反反射特性射特性来测量样品的光学常数。来测量样品的光学常数。是一种先进的测量薄膜纳米级厚度的方法。是一种先进的测量薄膜纳米级厚度的方法。思索题与探讨题思索题与探讨题写写出出椭椭偏偏方方程程及及各各参参数数的的物物理理意义？意义？1/4波片的作用是什么？波片的作用是什么？入入射射光光为为什什么么为为等等幅幅偏偏振振光光，试验中如何获得？试验中如何获得？反反射射光光为为什什么么为为线线偏偏振振光光，试试验中如何获得？验中如何获得？复习思索题：复习思索题：1）简简述述椭椭偏偏法法的的测测量量原原理理，各各主主要要光光学学部部件
4、件的的作作用用是是什什么？么？2）简简述述椭椭偏偏仪仪测测量量薄薄膜膜厚厚度度的试验步骤。的试验步骤。三、试验仪器三、试验仪器 SGC-1型椭圆偏振测厚仪，型椭圆偏振测厚仪，如图如图 所示。所示。四、试验原理四、试验原理使一束自然光经起偏器变成线使一束自然光经起偏器变成线偏振光，再经偏振光，再经1/4波片，使它变波片，使它变成等幅椭圆偏振光，入射到待成等幅椭圆偏振光，入射到待测的膜面上。反射时间的偏振测的膜面上。反射时间的偏振态将发生变更。对于确定的样态将发生变更。对于确定的样品，总可以找到起偏方位角品，总可以找到起偏方位角P，使反射光由椭圆偏振光变成线使反射光由椭圆偏振光变成线偏振光。于是转
5、动检偏器，在偏振光。于是转动检偏器，在其相应的方位角其相应的方位角A下得到消光状下得到消光状态。态。自然光自然光起偏器起偏器1检偏器检偏器光电倍增管光电倍增管1/4波片波片线偏线偏振光振光氦氖激光器氦氖激光器消光消光l现以一般玻璃表面镀以透亮单层介质膜为例现以一般玻璃表面镀以透亮单层介质膜为例作一说明。作一说明。ss1 k0 k1 k2 k323dn1n2n3 界面界面1界面界面2椭偏光椭偏光 光在单层介质膜表面的反射与折射光在单层介质膜表面的反射与折射。PP如图所示，当一束光入射到单层介质膜面上时，在界面1和2上形成多次反射和折射，且各反射光和折射光分别产生多光束干涉。其干涉结果反映了薄膜的
6、光学特性。依据电磁场的麦克斯韦方程和边界条件及菲涅尔反射系数公式，课本P128：（1 1）式中，式中，分别为光在薄膜上、下表面的入射角。分别为光在薄膜上、下表面的入射角。式中，式中，r1p、r2p为界面为界面1、2处反射光处反射光p重量的重量的振幅反射系数，振幅反射系数，r1s、r2s为界面为界面1、2处处s重量重量的振幅反射系数的振幅反射系数，2系指薄膜表面的相继两系指薄膜表面的相继两束反射光因光程差而引起的位相差，它满足：束反射光因光程差而引起的位相差，它满足：在椭偏测量中测量的是在椭偏测量中测量的是Rp与与Rs之比，即之比，即G：用用tg和和分分别别表示表示G的模和幅角，的模和幅角，则则
7、：椭椭偏方程偏方程和和称称为椭为椭偏参数偏参数 式中，式中，和和称为椭偏参数并具有角度量值，称为椭偏参数并具有角度量值，是是n1、n2、n3、及及d的函数；由于的函数；由于n1、n3、和和、为为 已知量，只要利用试验测出已知量，只要利用试验测出和和，并，并利用计算机作数值计算，即可得到薄膜折射率利用计算机作数值计算，即可得到薄膜折射率n2和厚度和厚度d。和和的如何的如何测测量？量？把把Rp与与Rs复振幅写成模和幅角形式：复振幅写成模和幅角形式：反射前后反射前后p,sp,s两重量两重量的振幅衰减比的振幅衰减比两重量的相移差两重量的相移差为使测量更加简便，在椭偏测量中要为使测量更加简便，在椭偏测量
8、中要求入射光和反射光满足两个条件：求入射光和反射光满足两个条件：（1 1）入射光为）入射光为p,sp,s重量的振幅相等的椭偏光，重量的振幅相等的椭偏光，此时：此时：仅与反射光仅与反射光p,s重量的振幅比有关重量的振幅比有关（2 2）反射光为线偏振光，此时：）反射光为线偏振光，此时：试验上如何实现？试验上如何实现？自然光自然光起偏器起偏器1检偏器检偏器光电倍增管光电倍增管1/4波片波片线偏线偏振光振光氦氖激光器氦氖激光器消光消光u等幅椭偏光的获得等幅椭偏光的获得快轴快轴慢轴慢轴S方向方向P方向方向E0入射光入射光E0代表经方位角为代表经方位角为p的起偏器的起偏器出射的出射的线偏振光线偏振光的振幅
9、的振幅将将E0在波片的快轴在波片的快轴f 和慢轴和慢轴 l上分解为上分解为:通过通过1/4波片后，波片后，Ef将比将比Es超前超前/2把这两个重量分别在把这两个重量分别在s 轴及轴及p轴上投影并再合成为轴上投影并再合成为Es和和Ep，便得到，便得到自然光自然光起偏器起偏器1检偏器检偏器光电倍增管光电倍增管1/4波片波片线偏线偏振光振光氦氖激光器氦氖激光器消光消光u反射光为线偏振光的检测反射光为线偏振光的检测消光法消光法检偏器的透光轴检偏器的透光轴t与与合成的反合成的反射线偏振光束的电矢量射线偏振光束的电矢量 Er垂垂直时直时,反射光在检偏器后消光反射光在检偏器后消光：五、试验内容与步骤五、试验
10、内容与步骤首先开启主机电源，点亮氦氖激首先开启主机电源，点亮氦氖激光器（预热光器（预热30分钟后再测量为宜）分钟后再测量为宜）。2.放入待测样品，选定入射角放入待测样品，选定入射角（70），调整起偏机构悬臂和），调整起偏机构悬臂和检偏机构悬臂，使经样品表面反检偏机构悬臂，使经样品表面反射后的激光束刚好通过检偏器入射后的激光束刚好通过检偏器入光口显示窗。光口显示窗。3.调整起偏器和检偏器的角度，直调整起偏器和检偏器的角度，直至出现两次消光，测出检偏器后至出现两次消光，测出检偏器后消光时起、检偏器方位角消光时起、检偏器方位角(P1,A1)和和(P2,A2)；4.将两组（将两组（P，A）换算，求平均值；）换算，求平均值；5.将（将（P，A）输入电脑程序界面，求得折射率）输入电脑程序界面，求得折射率n和膜厚和膜厚d.6.重复上述测量步骤，测量多个样品的折射率和重复上述测量步骤，测量多个样品的折射率和膜厚，录入表格。膜厚，录入表格。