椭圆偏振侧厚仪实验原理.doc

1、 实验原理使一束自然光经起偏器变成线偏振光。再经 1/4 波片，使它变成椭圆偏振光入射在待测的膜面上。反射时，光的偏振状态将发生变化。通过检测这种变化，便可以推算出待测膜面的某些光学参数。1、 椭偏方程与薄膜折射率和厚度的测量如右图所示为一光学均匀和各向同性的单层介质膜。它有两个平行的界面。通常，上部是折射率为 n1 的空气（或真空） 。中间是一层厚度为 d 折射率为 n2的介质薄膜，均匀地附在折射率为 n3 的衬底上。当一束光射到膜面上时，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别产生多光束干涉。其干涉结果反映了膜的光学特性。设 1 表示光的入射角， 2 和 3

2、分别为在界面 1 和 2 上的折射角。根据折射定律有n1sin 1= n2sin 2= n3sin 3 (1 ) 光波的电矢量可以分解成在入射面内振动的 p 分量和垂直于入射面振动的 s 分量。若用 Eip 和 Eis 分别代表入射光的 p 和 s 分量，用Erp 及 Ers 分别代表各束反射光 K0, K1,K2,中电矢量的 p 分量之和及界 面界 面s 分量之和，则膜对两个分量的总反射系数 Rp 和 Rs 定义为Rp=Erp/Eip 和 Rs=Ers/Eis (2)经计算可得Erp=(r1pr 2pe-i2 ) (1+ r1pr2pe-i2 )Eip 和Ers=(r1sr 2se-i2 )

3、/(1+ r1sr2se-i2 )Eis (3)式中 r1p 或 r1s 和 r2p 或 r2s 分别为 p 或 s 分量在界面 1 和界面 2 上一次反射的反射系数。2 为任意相邻两束反射光之间的位相差。根据电磁场的麦克斯韦方程和边界条件可以证明r1p=tan( 1 2)/ tan( 1+ 2), r1s= sin( 1 2)/sin( 1+ 2)r2p=tan( 2 3)/ tan( 2+ 3) ,r2s= sin( 2 3)/sin( 2+ 3)(4)式（4）即有名的菲涅尔反射系数公式。由相邻两反射光束间的程差，不难算出2=4 d/n 2cos 2=4d/(n 22n 12sin2 1)

4、1/2 (5)式中 为真空中的波长，d 和 n2 为介质膜的厚度和折射率，各 角的意义同前。在椭圆偏振法测量中，为了简便，通常引入另外两个物理量 和 来描述反射光偏振态的变化。它们与总反射系数的关系定义如下：tane i =Rp/Rs (6a)= ( r 1pr 2pe-i2 ) (1+ r1sr2se-i2 ) (1+ r1pr2pe-i2 ) (r1sr 2se-i2 ) (6b)式（6）简称为椭偏方程，其中的称为椭偏参数（由于具有角度量纲也称椭偏角） 。由（1） ， （4） ， （5）和（6）式已经可以看出，参数 和 是n1,n2,n3, 1, 和 d 的函数。其中 n1, n3, 和

5、1 可以是已知量，如果能从实验中测出 和 的值，原则上就可以算出薄膜的折射率 n2和厚度 d。这就是椭圆偏振法测量的基本原理。实际上，究竟 和 的具体物理意义是什么，如何测出它们，以及测出后又如何得到 n2和 d，均须作进一步的讨论。2 和 的物理意义3 现用复数形式表示入射光的 p 和 s 分量Eip=E ipexp(i ip), Eis=E isexp(i is)Erp=E rpexp(i rp), Ers=E rsexp(r rs) (7)（7）式中各绝对值为相应电矢量的振幅，各 值为相应界面处的位相。由（6a） ，(2)和（7）式可以得到tane i=E rpE is/(E rsE i

6、p)expi( rp rs) ( ip is)(8)比较等式两端即可得tan = E rpE is/(E rsE ip) (9)=( rp rs) ( ip is) (10)（9）式表明，参量与反射前后 p 和 s 分量的振幅比有关。而（10）式表明，参量 与反射前后 p 和 s 分量的位相差有关。可见， 和 直接反映了光在反射前后偏振态的变化。一般规定，和 的变化范围分别为 0/2 和 0 2。当入射光为椭圆偏振光时，反射后一般为偏振态（指椭圆的形状和方位）发生了变化的椭圆偏振光（除开 /4 且 0 的情况） 。为了能直接测得 和 ，须将实验条件作某些限制以使问题简化。也就是要求入射光和反射

7、光满足以下两个条件：（1） 要求入射在膜面上的光为等幅椭圆偏振光（即 p 和 s 二分量的振幅相等） 。这时，E ip/E is1 ，公式（9）则简化为tan = E rp/ E rs （11） （2） 要求反射光为一线偏振光。也就是要求（rp rs）0（或 ） ，公式（10）则简化为（ipis） （12）满足后一条件并不困难。因为对某一特定的膜，总反射系数比Rp/Rs 是一定值。公式（ 6a）决定了 也是某一定值。根据（10）式可知，只要改变入射二分量的位相差（ip is ） ，直到大小为一适当值（具体方法见后面的叙述） ，就可以使（rprs ）0（或） ，从而使反射光变成一线偏掁光。利用一

8、检偏器可以检验此条件是否已满足。以上两条件都得到满足时，公式（11）表明，tan 恰好是反射光的 p 和 s 分量的幅值比，是反射光线偏振方向与 s 方向间的夹角，如右图所示。公式（12）则表明， 恰好是在膜面上的入射光中s 和 p 分量之间的位相差。3 和 的测量实现椭圆偏振法测量的仪器称为椭圆偏振仪（简称椭偏仪） 。它的光路原理如图所示。由氦氖激光管发出的波长为 6328A的自然光，先后通过起偏器 Q，1/4 波片 C 入射在待测薄膜 F 上，反射光通过检偏器 R 射入光电接 检 流 计激 光 管 检 偏 器起 偏 器 膜 衬 底椭 偏 仪 光 路 图 ， 从 ， 和 用 虚 线 引 下

9、的 三 个 插 图 都 是 迎 光 线 看 去 的收器 T。如前所述，p 和 s 分别代表平行和垂直于入射面的二个方向。T 代表 Q 的偏振方向， ，f 代表 C 的快轴方向，t r 代表 R 偏振方向。无论起偏器的方位如何，经过它获得的线偏振光再经过 1/4 波片后一般成为椭圆偏振光。为了在膜面上获得 p 和 s 二分量等幅的椭圆偏振光，只须转动 1/4 波片，使其快轴方向 f 与 s 方向的夹角 =/4 即可（参看后面） 。为了进一步使反射光变成为一线偏振光 Er，可转动起偏器，使它的偏振方向 t 与 s 方向间的夹角 P1 为某些特定值。这时，如果转动检偏器 R，使它的偏振方向 tr 与

10、 Er 垂直，则仪器处于消光状态，光电接收器 T 接收到的光强最小，检流计的示值也最小。本实验中所使用的椭偏仪，可以直接测出消光状态下的起偏角 P1 和检偏方位角 。从公式（12）可见，要求出，还必须求出 P1 与( ip is)的关系。下面就上述的等幅椭圆偏振光的获得及 P1 与 的关系作进一步的说明。如图所示，设已将 1/4 波片置于其快轴方向 f 与 s 方向间夹角为 /4 的方位。E 0 为通过起偏器后的电矢量， P1 为 E0 与 s 方向间的夹角（以下简称起偏角） 。令 表示椭圆的开口角（即两对角线间的夹角） 。由晶体光学可知，通过 1/4 波片后，E 0 沿快轴的分量 Ef 与沿

11、慢轴的分量 Ei 比较，位相上超前 /2。用数学式可以表达成Ef=E0cos(/4P 1)ei/2 =i E0cos(/4P 1) (13)El=E0sin(/4P 1) (14)从它们在 p 和 s 两个方向上的投影可得到沿 p 和 s 的电矢量分别为Eip Efcos/4E l cos/4=(1/2) 1/2 E0ei(3 /4 P1) (15)EisE fsin/4+E l sin/4=(1/2) 1/2 E0ei( /4+P1) (16)由（15）和（16）式看出，当 1/4 波片放置在/4 角位置时，的确在 p 和 s 二方向上得到了幅值均为(1/2) 1/2 E0 的椭圆偏振入射光

12、。p 和 s 的位差为 ip is=/22 P1 (17)另一方面，从图 27-4 上的几何关系可以得出，开口角 与起偏角 P1 的关系为 /2= /4P 1。于是=/22P 1 (18)则（17）式变为 ip is= (19)由（12）式可得 = ( ip is)= (20)至于检偏方位角 ,可以在消光状态下直接读出。在测量中，为了提高测量的准确性，常常不是只测一次消光状态所对应的 P1 和 1 值，而是将四种（或二种）消光位置所对应的四组（P 1， 1） ， （P 2， 2） ， （P 3， 3）和（P 4， 4）值测出，经处理后再算出 和 值。其中， （P 1， 1）和（P 2， 2）所

13、对应的是1/4 波片快轴相对于 s 方向置 +/4 时的两个消光位置（反射后 p 和 s光的位相差为 0 或为 时均能合成线偏振光） 。而（P 3， 3）和（P 4， 4）对应的是 1/4 波片快轴相对于 s 方向置/4 时的两个消光位置。另外，还可以证明下列关系成立：P 1P 2=90, 2= 1; P 3P 4=90, 4= 3。求 和 的方法如下所述。（1） 计算 值：将 P1,P2, P3 和 P4 中大于 90的减去产90，不大于 90的保持原值，并分别记为P 1,P2,P 3和P 4 ，然后分别求平均。计算中，令P 1=(P1+P2)/2 和 P3=(P3+P4)/2 (21)而椭

14、圆开口角 与 P1和 P3的关系为= P 1 P 3 (22)由公式（22）算得 后，再按 27-1 求得 值。利用类似于图274 的作图方法，分别画出起偏角 在表 271 所指范围内的椭圆光图，由图上的几何关系求出与公式（18）类似的 与 P1 关系式，再利用公式（20）就可以得出表 271 中全部 与 的对应关系。（3） 计算 值：应按公式（ 23）进行计算=( 1 + 2+ 3 + 4)/4 (23)四、折射率 n2 和膜厚 的计算 尽管在原则上由 和 能算出 n2和 d，但实际上要直接解出(n 2-,d)和 (,) 的函数关系式是很困难的。一般在 n1 和 n2 均为实数（即为透明介质

15、的） ，并且已知衬底折射率 n3（可以为复数）的情况下，将(n 2,d)和( ,)的关系制成数值表或列线图而求得 n2和 d 值。编制数值表的工作通常由来完成。制作的方法是，先测量（或已知）衬底的折射率 n3，取定一个入射角 1，设一个 n2的初始值，令 从 0 变到 180（变化步长可取 1，2，等） ，利用公式（4） ， （5） ，（6） ，便可分别算出 d， 和 的值。然后将 n2增加一个小量进行类似计算。如此继续下去便可得到(n 2,d) (,) 的数值表。为了使用方便，常将数值表绘制成列线图。用这种查表（或查图）求 n2和 d 的方法，虽然比较简单方便，但误差较大，故目前日益广泛地采

16、用计算机直接处理数据。另外，求厚度 d 时还需要说明一点：当 n1 和 n2 为实数时，式（5）中的 2 为实数，两相邻反射光线间的位相差 2 亦为实数，其周期为 2。2 可能随着 d 的变化而处于不同的周期中。若令 2=2 时对应的膜层厚度为第一个周期厚度 d0，由（5）式可以得到d0=/2(n 22n 12sin2 1)1/2由数值表，列线图或算出的 d 值均是第一周期内的数值。若膜厚大于 d0，可用其它方法（如干涉法）确定所在的周期数 j，则总膜厚是D=(j1) d 0+d五、金属复折射率的测量以上讨论的主要是透明介质膜光学参数的测量，膜对光的吸收可以忽略不计，因而折射率为实数。金属是导

17、电媒质，电磁波在导电媒质中传播要衰减，故各种导电媒质中都存在不同程度的吸收。理论表明，金属的介电常数是复数，其折射率也是复数。现表示为n2*=n2ik (25)式中的实部 n2 并不相当于透明介质的折射率。换句话说，n 2 的物理意义不对应于光在真空中速度与介质中速度的比值，所以也不能从它导出折射定律。式中 k 称为吸收系数。这里有必要说明的是，当 n2*为复数时，一般 1 和 2 也为复数。折射定律在形式上仍然成立，前述的菲涅尔反射系数公式和椭偏方程也成立。这时仍然可以通过法求得参量 d, n2 和 k，但计算过程却要繁复得多。本实验仅测厚金属铝的复折射率。为使计算简化，将（25）式改写成以下形式n 2*=NiNK （26）由于待测厚金属铝的厚度 d 与光的穿透深度相比大得多，在膜层第二个界面上的反射光可以忽略不计。因而可以直接引用单界面反射的匪涅尔反射系数公式（4） 。经推算后得N n1sin 1tan 1cos21+sin2cos (27)Ktan2 sin (28)公式中的 n1, 1 和 的意义均与透明介质情况下相同。