1、1椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率实验目的：1.了解椭偏光法测量原理和实验方法。2.熟悉椭偏仪器的结构和调试方法。3.测量介质薄膜样品的厚度和折射率。实验原理：1.椭圆偏振方程在一光学材料上镀各向同性的单层介质膜后，光线的反射和折射在一般情况下会同时存在的。通常，设介质层为 n1、n2、n3，1 为入射角，那么在 1、2 介质交界面和 2、3介质交界面会产生反射光和折射光的多光束干涉，如图(1-1)图(1-1)这里我们用 2 表示相邻两分波的相位差，其中 （*） ，用2/121)sin(360dr1p、 r1s 表示光线的 p 分量、s 分量在界面 1、2 间的反射系数， 用 r2p 、r2s
2、表示光线的p 分、s 分量在界面 2、3 间的反射系数。 由多光束干涉的复振幅计算可知： 其中 和 分别代表入射光波电矢量的 p 分量和 s 分量， 和 分别代表反射光波rpEs rpEs电矢量的 p 分量和 s 分量。现将上述 、 、 、 四个量写成一个量 G，即：iEisrps2我们定义 G 为反射系数比，它应为一个复数，可用 tg 和 表示它的模和幅角。上述公式的过程量转换可由菲涅耳公式和折射公式给出：上述复数方程表示两个等式方程：Re（tg )=Re ie)11(22isipererIm (tg ) = Im i )(2121isip若能从实验测出 和 的话，原则上可以解出 n2 和
3、d (n1、n3、1 已知) ，根据公式(4)(9)，推导出 和 与 r1p、r1s 、r2p 、r2s、和 的关系：由上式经计算机运算，可制作数表或计算程序。 这就是椭偏仪测量薄膜的基本原理。若 d是已知，n2 为复数的话，也可求出 n2 的实部和虚部。那么，在实验中是如何测定 和 的呢？现用复数形式表示入射光和反射光：由式(3)和(12)，得：3其中：这时需测四个量，即分别测入射光中的两分量振幅比和相位差及反射光中的两分量振幅比和相位差，如设法使入射光为等幅椭偏光， / = 1，则 tg=| / |；对于相位角ipEs rpEs，有：因为入射光 - 连续可调，调整仪器，使反射光成为线偏光，
4、即 - =0 或 ，则ips rps=-( - )或 = -( - )，可见 只与反射光的 p 波和 s 波的相位差有关，可从isips起偏器的方位角算出。对于特定的膜， 是定值，只要改变入射光两分量的相位差( -ip)，肯定会找到特定值使反射光成线偏光， - =0 或 。is rps2.椭偏法测量 和 的实验光路 1）等幅椭圆偏振光的获得，如图 1-2。2）平面偏振光通过四分之一波片，使得具有/4 相位差。3）使入射光的振动平面和四分之一波片的主截面成 45。4图 1-2反射光的检测将四分之一波片置于其快轴方向 f 与 x 方向的夹角 为 /4 的方位，E0 为通过起偏器后的电矢量，P 为
5、E0 与 x 方向间的夹角。 ，通过四分之一波片后，E0 沿快轴的分量与沿慢轴的分量比较，相位上超前 /2 。在 x 轴、y 轴上的分量为：由于 x 轴在入射面内，而 y 轴与入射面垂直，故 就是 ， 就是 。xEipyisE图 1-3由此可见，当 =/4 时，入射光的两分量的振幅均为 E0 / 2，它们之间的相位差为 2P-/2，改变 P 的数值可得到相位差连续可变的等幅椭圆偏振光。这一结果写成：5实验仪器：本实验使用多功能激光椭圆偏振仪，由 JJY 型 1分光计和激光椭圆偏振装置两部分组成，仪器安装调试后如图 19.6 所示，其各部件功能如下：光源：包括激光管和激光电源。激光管装在激光器座
6、上，可以作水平、高低方位角调节和上下升降调节，发射 632.8nm 的单色光1.He-Ne 激光管 2.小孔光闸 3.平行光管 4.起偏器 5.1/4 波片6.被测样品 7.载物台 8.光孔盘 9.检偏器 10.塑远镜筒 11.白屏镜小孔光闸：保证激光器发出的激光束垂直照射在起偏器中心。起偏器：产生线偏振光，读数头度盘刻有 360 个等分线，格值为 1，游标度数为 0.1，随度盘同步转动，其转角可在度盘上读出。1/4 波片：将线偏振光补偿为等幅椭圆偏振光，装在起偏器前端，与起偏器共用游标。其读数为读数头度盘内圈刻度值。载物台：支承被测样品，其使用调节方法见分光计说明书。光孔盘：为防止杂散光进入
7、检偏器而附设，可自由转动，并具有读数标尺，但它的方向对实验并无影响。检偏器：与起偏器结构相同。望远镜筒与白屏目镜：观察反射光状态。实验内容：1. 按调分光计的方法调整好主机. 2. 水平度盘的调整. 3. 光路调整.64. 检偏器读数头位置的调整和固定.5. 起偏器读数头位置的调整与固定.6. 波片零位的调整.4/17. 将样品放在载物台中央,旋转载物台使达到预定的入射角 70即望远镜转过 40,使反射光在白屏上形成一亮点.8. 分别用快速法，建表法，作图法测量硅衬底的薄膜折射率, 薄膜基厚度和厚度周期.9. 改变入射角，在入射角为 60，50时再测两次。实验数据处理：1.入射角为 50 度时
8、：快速法 绘图法 建表法折射率 1.452 1.452 1.452厚度/nm 174.00 173.89 174.002.入射角为 60 度时：快速法 绘图法 建表法折射率 1.466 1.466 1.466厚度/nm 169.40 169.42 169.403.入射角为 70 度时：快速法 绘图法 建表法折射率 1.474 1.471 1.471厚度/nm 167.80 167.78 167.80求平均值：结果为 折射率 n=1.463 薄膜厚度 d=170.39 nm注意事项：1.光路调节要轻缓细心。要注意避免激光损伤眼睛。2.样品表面要避免玷污。思考题1.椭偏参数 的物理含义是什么？消光
9、时，它们与起，检偏器方位角 P，A 之间有什和7么样的表达式？答：tan 为 p 波和 s 波经薄膜系统反射前后的相对振幅之比， 表示 p 波和 s 波经薄膜系统反射前后的相位差 之差。它们直接反映出反射前后光的偏振状态的变化。sp入射光为等幅偏振光，且用负晶体作为 1/4 波片。若 1/4 波片快轴旋转 45 度，消光时，。 若 1/4 波片快轴旋转负 45 度，消光时，)0(297|AP|()A2.椭偏测量中，若被测薄膜厚度超过一个周期，试提出确定周期数的其他方法。若测出的周期数为 N，写出薄膜总厚度的表达式。计算 薄膜厚度刚好为一个周期时的厚度。2SiO答： 可利用不同波长的光进行测量，
10、通过对测量结果的对比，确定周期数 N。由（*）式， ，得总厚度2/121)sin)(360dNd= 。/122sin(由上式，薄膜厚度刚好为一个周期时，2=360，于是可得此时的 d 为 2/121)sin(d其中 为氦氖激光器波长 632.8 nm； 为空气折射率，可取为 1； 为样品薄膜的折射2n率，由实验中测出，取为最后的平均值 1.465； 为激光入射角，实验中分别为 70，165和 60。于是，当 =70时，可求得 d=281.49 nm；当 =65时，可求得 d=274.89 11nm；当 =60时，可求得 d=267.68 nm，平均值为 274.69nm。13. 用自动椭偏仪测量薄膜时，总结出作图查表法的实验步骤。答：作图法： 1) 模式选为作图法开始测量，软件界面得到一个红点； 2) 逐步提高精度和放大倍数，画线，直到曲线经过红点，得到薄膜厚度；3) 切换模式，重复步骤 2)，得到薄膜折射率。查表法：81) 模式选为查表法开始测量，软件界面得到一个表格；2) 查阅表格，得到数据（所需数据与其它数据颜色不同）4.试分析本实验测量中系统误差的来源。答：薄膜表面的光洁度，薄膜与衬底之间真空度，以及入、反射光接收器角度调整等均带来误差
