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1、椭偏仪测量薄膜厚度和折射率上海师范大学上海师范大学数理学院数理学院 闫爱民闫爱民近代物理实验一、背景介绍一、背景介绍二、实验目的二、实验目的三、实验仪器三、实验仪器四、实验原理四、实验原理五、实验内容与步骤五、实验内容与步骤六、思考题与讨论题六、思考题与讨论题内内 容容 提提 要要一、一、背背 景景 介介 绍绍1、薄膜的分类：透明介质膜和金属膜。、薄膜的分类：透明介质膜和金属膜。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为薄膜复折射率为薄膜复折射率,nN-ik透明介质膜，无吸收透明介质膜，无吸收(k=0)，其折射率为实数。，其折射率为实数。d为薄膜的厚度。为薄膜的厚度
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、二、实验目的实验目的了解椭偏光法测量原理和实验方法。了解椭偏光法测量原理和实验方法。熟悉椭偏仪器的结构和调试方法。熟悉椭偏仪器的结构和调试方法。测量介质薄膜样品的厚度和折射率。测量介质薄膜样品的厚度和折射率。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。思考题与讨论题思考题与讨论题1.写出椭偏方程及各参数的物理意义？2.1/4波片的作用是什么？3.入射光为什么为等幅偏振光，实验中如何获得？4.反射光为什么为线偏振光，实验中如何获得？复习思考题：复习思考题：复习思考题：复习思考题：1 1 1 1）简述椭偏法的测量原理，各主要光学部件的）简述椭偏法的测量原理，各主要光学部件的）简述椭偏法的测量原理，各主要光学部件的）简述椭偏法的测量原理，各
4、主要光学部件的作用是什么？作用是什么？作用是什么？作用是什么？2 2 2 2）简述椭偏仪测量薄膜厚度的实验步骤。）简述椭偏仪测量薄膜厚度的实验步骤。）简述椭偏仪测量薄膜厚度的实验步骤。）简述椭偏仪测量薄膜厚度的实验步骤。三、实验仪器三、实验仪器 SGC-1型椭圆偏振测厚仪，如图型椭圆偏振测厚仪，如图 所示。所示。四、实验原理四、实验原理使一束自然光经起偏器变成使一束自然光经起偏器变成线偏振光线偏振光，再经，再经1/4波片波片，使它变成使它变成等幅椭圆偏振光等幅椭圆偏振光，入射到待测的膜面上。反，入射到待测的膜面上。反射时光的偏振态将发生变化。对于一定的样品，总可射时光的偏振态将发生变化。对于一
5、定的样品，总可以找到以找到起偏方位角起偏方位角P，使反射光由使反射光由使反射光由使反射光由椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光变成变成变成变成线线线线偏振光偏振光偏振光偏振光。于是转动检偏器，在其相应的。于是转动检偏器，在其相应的。于是转动检偏器，在其相应的。于是转动检偏器，在其相应的方位角方位角方位角方位角AA下得下得下得下得到消光状态。到消光状态。到消光状态。到消光状态。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现以普通玻璃表面镀以透明单层介质膜为例现以普通玻璃表面镀以透明单层介质膜为例作一说明。作一说明。ss
6、1 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。PPl如图所示，当一束光入射到单层介质膜面上如图所示，当一束光入射到单层介质膜面上时，在界面时，在界面1和和2上形成多次反射和折射，且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光学特性。干涉结果反映了薄膜的光学特性。l根据电磁场的麦克斯韦方程和边界条件及菲根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，课本涅尔反射系数公式，课本P128：（1 1）式中，式中，分别为光在
7、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分量的振分量的振幅反射系数，幅反射系数，r1s、r2s为界面为界面1、2处处s分量的振分量的振幅反射系数幅反射系数，2系指薄膜表面的相继两束反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：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：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
8、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，只要利用已知量，只要利用实验测实验测出出和和，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两分量两分量的的振幅衰减比振幅衰减比两分量的相移差两分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，在椭偏测量中要求入射光和反射光满足求入射光和反射光满足两个条件两个条件：（1 1）入射光为）入射光为p,sp,s分量的振幅
9、相等的椭偏光，分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分量的振幅比有关分量的振幅比有关（2 2）反射光为线偏振光，此时：）反射光为线偏振光，此时：实验上如何实现？实验上如何实现？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
10、将比Es超前超前/2把这两个分量分别在把这两个分量分别在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、实验内容与步骤五、实验内容与步骤1.首先开启主机首先开启主机电电源，点亮氦源，点亮氦氖氖激光器（激光器（预热预热30分分钟钟后再后再测测
11、量量为为宜）。宜）。2.放入待放入待测样测样品，品，选选定入射角定入射角（70），），调节调节起偏机起偏机构构悬悬臂和臂和检检偏机构偏机构悬悬臂，使臂，使经样经样品表面反射后的激品表面反射后的激光束光束刚刚好通好通过检过检偏器入光口偏器入光口显显示窗。示窗。3.调整起偏器和检偏器的角度，直至出现两次消光，调整起偏器和检偏器的角度，直至出现两次消光，测出检偏器后消光时起、检偏器方位角测出检偏器后消光时起、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。