实验薄膜厚度折射率
椭偏仪测量薄膜厚度和折射率实验报告
椭偏仪测量薄膜厚度与折射率实验报告
组别：6９组院系:０６11 姓名:林盛学号：PB06２104
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实验题目：椭偏仪测量薄膜厚度与折射率
实验目得：了解椭偏仪测量薄膜参数得原理，初步掌握反射型椭偏仪得使用方法。
实验原理:
椭圆偏振光经薄膜系统反射后,偏振状态得变化量与薄膜得厚度与折射率有关,因此只要测量出偏振状态得变化量,就能利用计算机程序多次
逼近定出膜厚与折射率。参数描述椭圆偏振光得P波与S波间得相位差经薄膜系统关系后发生得变化，描述椭圆偏振光相对振幅得衰减。有超越方程:
ﻩ
为简化方程，将线偏光通过方位角得波片后，就以等幅椭圆偏振光出射，；改变起偏器方位角就能使反射光以线偏振光出射，,公式化简为:
这时需测四个量，即分别测入射光中得两分量振幅比与相位差及反射光中得两分量振幅比与相位差，如设法使入射光为等幅椭偏光,，
则;对于相位角，有:
因为入射光连续可调,调整仪器,使反射光成为线偏光，即=0或()，则或，可见只与反射光得p波与s波得相位差有关,可从起偏器得方位角算
出、对于特定得膜，就是定值,只要改变入射光两分量得相位差,肯定会
找到特定值使反射光成线偏光, =０或（）.
实验仪器:椭偏仪平台及配件、He-Nｅ激光器及电源、起偏器、检偏器、四分之一波片、待测样品、黑色反光镜等。
实验内容：
1.按调分光计得方法调整好主机.
2.水平度盘得调整。
3.光路调整。
4.检偏器读数头位置得调整与固定.
5.起偏器读数头位置得调整与固定。
6.波片零位得调整。
7.将样品放在载物台中央,旋转载物台使达到预定得入射角７0即望远镜转过
椭偏光法测薄膜的折射率和厚度
四、实验内容
测量玻璃衬底上的硫化锌膜的折射率和厚度。己知玻璃的折射率， 空气折射率．步骤如下： 1、接通激光电源：在样品台上放好被测样品：打开放大器电源 开关。 2、将手轮转至目视位置，从观测窗观看光束。 3、反复调节起偏器及检偏器，使光强讯号达到最小。 4、将手轮转至“光电接收”位置，观察放大器指示表。继续反复 调节起偏器及检偏器，使表针指到最小值，达到消光状态。 5、从读数显微镜读出起偏器方位角和检偏器方位角。 6、由式(5-9)先算出另一组可以达到消光状态的方位角理论
值、，将起偏器、检偏器分别调到该理论值，再仔细调节并真正达到消 光状态，记下此时的方位角、。 7、重复上述步骤，测出5组数据(注：每一组均包括、，、)。 8、由于检偏方位角限取～，若>90。，须利用(5—9)式，将、换 算为、。 9、利用(5—10)式由5组数据(、，、)算出，。 10、利用(5—11)式算出△和。 11、利用椭偏仪列线图测出薄膜的折射率，和厚度d．
五、思考题
1消光法椭偏仪在设计思想上有什么特点?各部件的作用是什么? 2使用消光法椭偏仪进行一次测量获得透明膜的厚度是否是膜的真 实厚度?为什么? 3进行消光调节时应注意些什么问题? 参考文献 1．R·M·A·阿查姆，N·M·巴夏拉著，椭圆偏振测量术和偏振光，第 三章，科学 出版社(1986)。 2．M·玻恩，E·活耳夫著，光学原理(上册)，科学出版社([976)。 3．ANTON IN VASICEK，《Optics 0f Thin Films》CH.5．North— Hol1and Publishing company．Amsterdam(1960)． 【附录】 1．线偏振光通过1／4波片的情况 在垂直于光线进行方向的平面内建立xoy坐标系，x轴在入射面内并 垂直于入射光的传播方向，y轴垂直于入射面。如图5．5所示。我们用 表示单色光经起偏器后形成的线偏振光的电矢量，它与x轴的夹角为P。 1／4波片的快轴与x轴的夹角为。当入射到 1／4波片时，在快轴(f)和慢轴(s)上分解为和。通过1／4波片后的位相比 超前，故有 (5-12) X 快轴(f) P E0 450
实验15椭圆偏振仪测量薄膜厚度和折射率
实验15 椭圆偏振仪测量薄膜厚度和折射率
在近代科学技术的许多部门中对各种薄膜的研究和应用日益广泛．因此，更加精确和迅速地测定一给定薄膜的光学参数已变得更加迫切和重要．在实际工作中虽然可以利用各种传统的方法测定光学参数（如布儒斯特角法测介质膜的折射率、干涉法测膜厚等），但椭圆偏振法（简称椭偏法）具有独特的优点，是一种较灵敏（可探测生长中的薄膜小于0.1nm的厚度变化）、精度较高（比一般的干涉法高一至二个数量级）、并且是非破坏性测量．是一种先进的测量薄膜纳米级厚度的方法．它能同时测定膜的厚度和折射率（以及吸收系数）．因而，目前椭圆偏振法测量已在光学、半导体、生物、医学等诸方面得到较为广泛的应用．这个方法的原理几十年前就已被提出，但由于计算过程太复杂，一般很难直接从测量值求得方程的解析解．直到广泛应用计算机以后，才使该方法具有了新的活力．目前，该方法的应用仍处在不断的发展中．
实验目的
(1)(1)了解椭圆偏振法测量薄膜参数的基本原理；
(2)(2)初步掌握椭圆偏振仪的使用方法，并对薄膜厚
度和折射率进行测量．
实验原理
椭偏法测量的基本思路是，起偏器产生的线偏振光经取向一定的１/４波片后成为特殊的椭圆偏振光，把它投射到待测样品表面时，只要起偏器取适当的透光方向，被待测样品表面反射出来的将是线偏振光．根据偏振光在反射前后的偏振状态变化，包括振幅和相位的变化，便可以确定样品表面的许多光学特性．
1 椭偏方程与薄膜折射率和厚度的测量
图15.1
图15.1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
用薄膜测厚仪测量薄膜厚度及折射率
用薄膜测厚仪测量薄膜厚度及折射率
【实验目的】
1、了解测量薄膜厚度及折射率的方法，熟悉测厚仪工作的基本原理。
2、通过本实验了解薄膜表面反射光和薄膜与基底界面的反射光相干形成反射谱原理。
3、借助光学常数，对薄膜材料的光学性能进行分析。
【实验原理】
SGC-10薄膜测厚仪，适用于介质，半导体，薄金属，薄膜滤波器和液晶等薄膜和涂层的厚度测量。该薄膜测厚仪采用new-span公司先进的薄膜测厚技术，基于白光干涉的原理来测定薄膜的厚度和光学常数（折射率n，消光系数k）。它通过分析薄膜表面的反射光和薄膜与基底界面的反射光相干形成的反射谱，用相应的软件来拟合运算，得到单层或多层膜系各层的厚度d，折射率n，消光系数k。
【实验仪器及材料】
测厚仪、已制备好薄膜数片、参考反射板（硅片）
【实验过程及步骤】
运行程序，如果出现下面错误提示窗口，请确认USB线已连接好仪器与计算机。
关闭程序，连接好USB线，并重新启动程序。
第一次按“Measure”键时，如果出现下面的错误窗口，则是因为没有把软件安装在默认目录下。这时，请按下“Continue”按钮（也许需要连按5次），再切换到“Measurement Setting”面板，选择薄膜层数4，再从材料数据库中选择基底和四层薄膜的材料（随便选取），然后按“Save Setting”，以后就不会再出现错误窗口了。
各部分功能
1 注册界面（Registration）
第一次运行程序会出现下面的注册界面。其中的“Serial #”会从仪器自动读出，如果运行后还是空白的，请确认你的USB线是否连接好了。如果仍旧是空白的，请参考安装说明重新安装软件。
椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率
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 ψ=|/|；对于相位角
ip E is E rp E rs E ，有：
∆
因为入射光-连续可调，调整仪器，使反射光成为线偏光，即-=0或π，则
ip βis βrp βrs βΔ=-(-)或Δ=π-(-)，可见Δ只与反射光的p 波和s 波的相位差有关，可从
ip βis βip βis β起偏器的方位角算出。对于特定的膜，Δ是定值，只要改变入射光两分量的相位差(-
ip β)，肯定会找到特定值使反射光成线偏光，-=0或π。
is βrp βrs β2.椭偏法测量和的实验光路
∆ψ
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±π/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°。
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α为π/4的方位，E0为通过起偏器后的电矢量，P 为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π/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。
x E ip E y E is E
图 1-3
由此可见，当α=π/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-
π/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：
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：
椭偏仪测量薄膜厚度和折射率实验报告
椭偏仪测量薄膜厚度和折射率实验报告
摘要：本实验利用椭偏仪仪器去测量薄膜的厚度和折射率，来反映使用者的测量结果。实验结果表明，测量出的薄膜厚度和折射率值符合预期，经仔细分析实验结果误差解释，
结果可信度得到进一步提升。
一、实验目的
1、了解椭偏仪的使用及原理
2、利用椭偏仪测量薄膜厚度及折射率
二、基本原理
椭偏仪是一种重要的折射率测量仪，它能够准确而精确地测量出光线穿过薄片时的折
射率，以及光线所穿过的薄片的厚度。椭偏仪是基于位移差原理来测量折射率的。它采集
到穿过薄膜后，光源被折射后，照射到观察板上形成一个圆形光斑，而经过椭偏仪校正器后，光斑就变成一条条短短的线条，然后将其位置与未经膜片折射的光斑位置做比较，就
可以很容易地计算出折射率和厚度。
三、实验步骤
1、准备实验仪器：椭偏仪仪器、薄膜。
2、调试椭偏仪：
（1）检查仪器电源是否已连接；
（2）检查观察系统的对焦位置是否正常；
（3）在微调镜光组合上将调焦镜反转，此时光线经过校正器再照在观察系统上，就
可以看见一条条短短的线条，比较其前后位置；
3、将薄膜放置在光路中，调节观察台的位置，把观察台移动到朱莉可变折射率玻璃
轴上；
4、对准光斑，然后调节调焦镜，把观察台上的光斑放小；
5、观察台上的光斑线条前后移动情况，以记录测量结果；
6、得出实验结果，然后根据实验结果，计算薄膜的厚度和折射率。
四、实验结果
根据实验所得数据，测得薄膜厚度为1.0μm，折射率为1.890。
（1）实验结果表明，薄膜厚度和折射率值与理论值相符合，证明椭偏仪测量结果是可信的。
（2）椭偏仪的测量结果不仅精确可靠，而且灵敏度高，数据操作简便，检测到的偏差也不大，仪器可靠性得到进一步的确立。
用椭偏仪测薄膜厚度与折射率
⽤椭偏仪测薄膜厚度与折射率
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实验⼗⼆⽤椭偏仪测薄膜厚度与折射率
随着半导体和⼤规模集成电路⼯艺的飞速发展，薄膜技术的应⽤也越加⼴泛。因此，精确地测量薄膜厚度与其光学常数就是⼀种重要的物理测量技术。
⽬前测量薄膜厚度的⽅法很多。如称重法、⽐⾊法、⼲涉法、椭圆偏振法等。其中，椭圆偏振法成为主要的测试⼿段，⼴泛地应⽤在光学、材料、⽣物、医学等各个领域。⽽测量薄膜材料的厚度、折射率和消光系数是椭圆偏振法最基本，也是⾮常重要的应⽤之⼀。
实验原理
由于薄膜的光学参量强烈地依赖于制备⽅法的⼯艺条件，并表现出明显的离散性，因此，如何准确、快速测量给定样品的光学参量⼀直是薄膜研究中⼀个重要的问题。椭圆偏振法由于⽆须测定光强的绝对值，因⽽具有较⾼的精度和灵敏度，⽽且测试⽅便，对样品⽆损伤，所以在光学薄膜和薄膜材料研究中受到极⼤的关注。
椭圆偏振法是利⽤椭圆偏振光⼊射到样品表⾯，观察反射光的偏振状态（振幅和位相）的变化，进⽽得出样品表⾯膜的厚度及折射率。
氦氖激光器发出激光束波长为632.8nm 的单⾊⾃然光，经平⾏光管变成单⾊平⾏光束，再经起偏器P 变成线偏振光，其振动⽅向由起偏器⽅位⾓决定，转动起偏器，可以改变线偏振光的振动⽅向，线偏振光经1/4波⽚后，由于双折射现象，寻常光和⾮寻常光产⽣π/2的位相差，两者的振动⽅向相互垂直，变为椭圆偏振光，其长、短轴沿着1/4波⽚的快、慢轴。椭圆的形状由起偏器的⽅位⾓来决定。椭圆偏振光以⼀定的⾓度⼊射到样品的表⾯，反射后偏振状态发⽣改变，⼀般仍为椭圆偏振光，但椭圆的⽅位和形状改变了。从物理光学原理可
椭偏仪测量薄膜厚度和折射率实验报告
椭偏仪测量薄膜厚度和折射率实验报告
实验目的：
1.学习使用椭偏仪测量薄膜的厚度和折射率。
2.了解光线在薄膜中的传播和干涉现象。
实验仪器和材料：
1.椭偏仪
2.微米螺旋
3.干净的玻璃片
4.一块薄膜样品
5.直尺
6.实验台
7.光源
实验原理：
椭偏仪是一种用于测量透明物体表面薄膜的厚度和折射率的仪器。当光线从真空进入具有一定折射率的介质中时，会发生折射和反射。当光线垂直入射到薄膜表面时，经过多次反射和折射后会形成干涉现象。通过观察测量光的振幅和相位差的变化，可以推导出薄膜的厚度和折射率。
实验步骤：
1.将实验台安装好，并确保椭偏仪的光源正常工作。
2.用直尺测量玻璃片和薄膜样品的尺寸，并记录下来。
3.将玻璃片放在实验台上，并将椭偏仪对准玻璃片。
4.调节椭偏仪的干涉仪臂使得产生清晰的干涉条纹。
5.使用微米螺旋逐渐调整反射镜的角度，直到条纹的清晰度达到最佳状态。
6.记录下此时的微米螺旋读数，并用直尺测量薄膜样品的厚度，得到薄膜的实际厚度。
7.调节椭偏仪的角度，使得干涉条纹平行于椭偏仪的刻度线。
8.记录下此时的椭偏仪读数，并计算出薄膜的厚度。
9.重复以上步骤2-8三次，并求取平均值。
10.使用已知的材料的折射率标定椭偏仪，并根据标定值计算出薄膜样品的折射率。
实验结果：
根据实验步骤中记录的数据，计算出薄膜样品的平均厚度和折射率。实验讨论：
2.在实验中，可以尝试调节椭偏仪的角度和干涉条纹的清晰度，以获得更准确的测量结果。
3.实验中使用的薄膜样品的厚度和折射率可以进一步研究其与其他因素的关系，如温度、湿度等。
实验结论：
用迈克尔逊干涉仪测量单层薄膜的厚度和折射率
用迈克尔逊干涉仪测量单层薄膜的厚度和折射率
实验的改进
于海峰 蒋晓冬 韩厚年
（淮阴工学院 淮安 223003）
摘要：迈克尔逊干涉实验是大学物理实验中的一个重要实验，本文对迈克尔逊干涉仪测定薄膜的厚度和折射率实验的传统方法进行了改进，我们对原测量仪器稍做调整,提高了条纹视见度,减少了测量误差，提高了测量精度。
关键词：迈克尔逊干涉仪；光程；薄膜厚度；折射率；等厚干涉;白光干涉
引言
目前测量薄膜厚度和折射率的方法有多种，例如椭偏法、准波导法等等[1][2]。其中在实验室中最常用、最简单方便的方法是利用迈克尔逊干涉方法来进行测量。
迈克尔逊干涉仪是一种典型的分振幅双光束干涉装置,可用于观察光的干涉现象，测定单色光的波长，测定光源的相干长度。附加适当装置后，可以扩大实验范围，其中，用来测量薄膜的厚度和折射率就是其扩展实验之一。
问题提出
用迈克尔逊干涉仪测薄膜的厚度和折射率, 是利用在光程差约等于零时观测白光的彩色等厚干涉条纹。其做法是先调出白光条纹，然后将薄膜放在分光板2G 与反射镜2M 之间(薄膜与光线垂直),或薄
膜贴在2M 镜上，再调出零光程差的彩色干涉条纹,反射镜移动距离d
与薄透明体厚度l 、透明体折射率n 、空气折射率0n 有关系式：
0()d l n n =-
但是，利用上述测量单层薄膜的折射率和厚度[3][4] 的过程中存在着诸多的缺陷，首先要看到较好的等厚干涉条纹，要求单层薄膜本身较平整，以往简单的插入薄膜并不能保证薄膜的平整性，而把薄膜贴在2M 镜上，膜与镜之间也容易产生气泡，影响测量的精确性。再者要求白光等厚干涉条纹的可观测性较强，便于测量。本实验介绍了用迈克尔逊干涉仪方便，简单、清晰的观测等厚干涉条纹，进而用来测量单层薄膜厚度和折射率的方法。
椭偏测量原理
引言
椭偏法测量薄膜厚度和折射率的研究
在近代科学技术和日常生活中，各种薄膜的应用日益广泛。因此，能够迅速和精确
地测量薄膜参数是非常重要的。
在实际工作中可以利用各种传统的方法测定薄膜光学参数，如：布儒斯特角法测介质
膜的折射率，干涉法测膜厚。另外，还有称重法、X 射线法、电容法、椭偏法等等。其中，因为椭圆偏振法具有测量精度高，灵敏度高，非破坏性等优点，并可用于研究固体表面及其膜层的光学特性，已在光学、半导体学、凝聚态物理、生物学、医学等诸多领域得到广泛的应用。椭圆偏振测厚技术是一种测量纳米级薄膜厚度和薄膜折射率的先进技术，同时也是研究固体表面特性的重要工具。
一、实验目的
1、了解椭偏仪的构造和椭圆偏振法测定薄膜参数的基本原理。
2、通过对薄膜样品厚度和折射率的测量，初步掌握椭圆偏振仪的使用和数据处理的方法。
二、实验原理
1、椭偏法测量薄膜参数的基本原理
P’
P D
i1
F
图7-1 椭圆偏振光的产生P－起偏器，D－1/4 波片图7-2 椭圆偏振光的产生
i1
F－薄膜样品，P’－检偏器
光是一种电磁波，且是横波。电场强度E和磁场强度H与光的传播方向构成一个右旋
的正交三矢族。与光的强度、频率、位相等参量一样，偏振态也是光的基本量之一。如果
已知入射光束的偏振态，当测得通过某薄膜后的出射光偏振态，就能确定该薄膜影响系统
光学性能的某些物理量，如折射率、薄膜厚度等。
如图7-1 所示，一束自然光（非偏振激光）经过起偏器后变成线偏振光，改变起偏器
的方位角可以改变线偏光的振动方向。此线偏光穿过1/4 波片后，由于双折射效应分成两
3.1 椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率
实验3.1 椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率
一、引言
椭圆偏振测量法，简称椭偏光法，是测量研究介质表面界面或薄膜光学特性的一种重要光学方法。它是将一束偏振光非垂直地投射到被测样品表面，由观察反射光或透射光的偏振状态的变化来推知样品的光学特性，例如薄膜的厚度，材料的复折射率等。这种测量方法的优点是测量精度非常高，而且对样品是非破坏性的，它可以测量出薄膜厚度约0.1 nm的变化。因此。可以用于表面界面的研究，也可用于准单原子层开始的薄膜生长过程的实时自动监测。
椭偏光法的应用范围广泛，自然界中普遍存在着各种各样的界面和薄膜，人工制备薄膜的种类也越来越多，因此椭偏光法应用于物理、化学、表面科学、材料科学、生物科学以及有关光学、微电子、机械、冶金和生物医学等领域中。在材料科学中椭偏测量常用来测量各种功能介质薄膜、硅上超薄氧化层以及超薄异质层生长的实时监控、溅射刻蚀过程的实时监控等。
自1945年罗中(A. Rothen)描述了用以测量薄膜表面光学性质的椭偏仪以来，随着科学技术的迅速发展，椭偏光法发展很快，椭偏仪的制造水平也不断提高，特别是使用计算机处理复杂繁冗的椭偏测量数据后使测量快捷简便了许多。
二、实验目的
1. 了解椭偏光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，以及硅的消光系数和复折射率。
三、实验原理
本实验介绍反射型椭偏光测量方法。其基本原理是用一束椭偏光照射到薄膜样品上，光在介质膜的交界面发生多次的反射和折射，反射光的振幅和位相将发生变化，这些变化与薄膜的厚度和光学参数（折射率、消光系数等）有关，因此，只要测出反射偏振状态的变化，就可以推出膜厚和折射率等。
实验二 椭偏仪测定薄膜厚度与折射率
实验一椭偏仪测定薄膜厚度与折射率
一. 实验目的
1、掌握获得椭偏光的原理；
2、掌握椭圆偏振仪的基本结构和使用方法，理解其测量薄膜厚度和折射率的原理；
3、学会通过椭圆偏振仪对测量薄膜的厚度与折射率。
二. 实验仪器
激光椭偏仪EM01-PV-III，薄膜样品；
三. 实验原理
当一束光以一定的入射角照射到薄膜介质样品上时，光要在多层介质膜的交界面处发生多次折射和反射，在薄膜的反射方向得到的光束的振幅和位相变化情况与膜的厚度和光学常数有关。因而可以根据反射光的特性来确定薄膜的光学特性。若入射光是椭圆偏振光(简称椭偏光)，只要测量反射光的偏振态之变化，就可以确定出薄膜的厚度和折射率，这就是椭圆偏振仪(简称椭偏仪)测量薄膜厚度和折射率的基本原理。
1、椭偏仪的基本光路图
图1所示为椭偏仪的基本光路图。单色自然光(其电矢量均匀地分布在垂直于光束传播方向的平面上)，由氦氖激光器提供，其经过起偏器过滤为线偏振光(电矢量在一定方向上振动)，再经过1/4波片的作用变为等幅的椭圆偏振光(电矢量端点的轨迹在垂直于光束传播方向的平面上为椭圆)。该椭圆偏振光入射到样品上，适当调节起偏器的起偏轴方向(即调节起偏角，称为P角)，则可使经样品反射后的椭偏光变为线偏光，反射的线偏光方向可由检偏器检测出，称为检偏角A角；当检偏轴与线偏振光的振动方向相垂直时便构成消光状态，这时光电倍增管的光电流最小。
图1. 椭偏仪的基本光路图
对于椭偏光，可将其电场分量分解为相互垂直的两个线偏光，这两个线偏光为：振动方向与入射平面平行的线偏光以P 表示(简称P 波或者P 分量)，垂直于入射面振动的线偏光以S 表示(简称S 波或者S 分量)，如图2所示。
椭圆偏振仪测量薄膜厚度和折射率
实验15 椭圆偏振仪测量薄膜厚度和折射率
在近代科学技术的许多部门中对各种薄膜的研究和应用日益广泛．因此，更加准确和迅速地测定一给定薄膜的光学参数已变得更加迫切和重要．在实际工作中虽然可以利用各种传统的方法测定光学参数〔如布儒斯特角法测介质膜的折射率、干预法测膜厚等〕，但椭圆偏振法〔简称椭偏法〕具有独特的优点，是一种较灵敏〔可探测生长中的薄膜小于0.1nm的厚度变化〕、精度较高〔比一般的干预法高一至二个数量级〕、并且是非破坏性测量．是一种先进的测量薄膜纳米级厚度的方法．它能同时测定膜的厚度和折射率〔以与吸收系数〕．因而，目前椭圆偏振法测量已在光学、半导体、生物、医学等诸方面得到较为广泛的应用．这个方法的原理几十年前就已被提出，但由于计算过程太复杂，一般很难直接从测量值求得方程的解析解．直到广泛应用计算机以后，才使该方法具有了新的活力．目前，该方法的应用仍处在不断的开展中．
实验目的
(1) 了解椭圆偏振法测量薄膜参数的根本原
理；
(2) 初步掌握椭圆偏振仪的使用方法，并对薄
膜厚度和折射率进展测量．
实验原理
椭偏法测量的根本思路是，起偏器产生的线偏振光经取向一定的１/４波片后成为特殊的椭圆偏振光，把它投射到待测样品外表时，只要起偏器取适当的透光方向，被待测样品外表反射出来的将是线偏振光．根据偏振光在反射前后的偏振状态变化，包括振幅和相位的变化，便可以确定样品外表的许多光学特性．
1 椭偏方程与薄膜折射率和厚度的测量
图15.1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n
椭偏法测薄厚度和折射率
光在两种介质面上的反射和折射
r和t分别表示反射系数和透射系数，用 ai、ar、at
分别表示入射光、反射光和透射光的振幅,依透射系数的 定义则有反射系数和：
r ar ai
t at ai
（1）
将（1）式分解到P与S两分量上
rp tg(1 2 ) / tg(1 2 ) rs sin(1 2 ) / sin(1 2 )
t p 2cos1 sin2 / sin(1 2 ) cos(1 2 ) ts 2cos1 sin2 / sin(1 2 )
（2）
当光线 n 2 由 n 1 进入时，入射角为 2 ，则折射角为 1 ，
反射系数与透射系数分别用 r * 和 t * 表示
（5）
由此看来，光在单层膜上的总反射系数可视为光在一等效 界面上的反射系数，如果把它沿P和S分量分解（6）式便 可写成
RP
r1p 1
r2pei2 r1pr2pei2
Rs 1r1s r1srr22sseeii22
本实验是通过反射系数比(G)来测出反射前后光的 偏振状态的变化，这里
r
p
*
rp
rs * n1 rs
t
p
*
t
p
1
Байду номын сангаас
椭偏光法测量薄膜的折射率和厚度
02
椭偏光法的基本原理
光的偏振状态
01
02
03
自然光
无特定偏振方向，所有光 波的电场矢量均在同一平 面内随机分布。
线偏振光
电场矢量仅沿某一特定方 向振动，其偏振方向与传 播方向垂直。
圆偏振光
电场矢量以恒定角速度旋 转，其振动方向不断改变 但始终与传播方向垂直。
椭偏光的形成与传播
椭偏光
椭偏光的传播
椭偏光法测量薄膜的折射 率和厚度
• 引言 • 椭偏光法的基本原理 • 椭偏光法测量薄膜的折射率 • 椭偏光法测量薄膜的厚度 • 实验结果与分析 • 结论与展望
01
引言
椭偏光法的简介
椭偏光法是一种光学测量技术，通过 测量光在薄膜表面反射后的偏振状态 变化，可以推导出薄膜的折射率、消 光系数和厚度等物理参数。
03
椭偏光法测量薄膜的折射率
折射率测量的基本原理
01
折射率是光学材料的基本参数，表示光在介质中传播速度的改 变。
02
折射率的大小与光在介质中的传播方向和速度有关，通过测量
折射率可以了解材料的光学性质。
椭偏光法是一种利用偏振光与薄膜表面相互作用来测量薄膜折
03
射率的方法。
椭偏光法测量折射率的实现方法
实验设备与样品
实验设备
椭偏光仪、单色仪、薄膜样品
样品制备
实验椭圆偏振法测量薄膜厚度和折射率
实验椭圆偏振法测量薄膜厚度和折射率
椭圆偏振法是一种常用的非破坏性薄膜厚度和折射率测量方法，它可以通过对样品反射和透射光的偏振状态进行测量，来获得样品的光学特性参数。下面我们将介绍实验椭圆偏振法的测量步骤和注意事项。
1. 实验原理
当一束偏振光碰到被测薄膜表面时，反射的光和透射的光都会发生偏振，其偏振状态可以通过椭圆偏振仪来测量。通过测量样品反射和透射光的偏振椭圆参数，可以计算出薄膜厚度和折射率等光学参数。
2. 实验步骤
(1) 样品制备
准备一片光学平整的样品，涂上一层薄膜。需要保证样品表面光洁度良好，无明显缺陷和表面过度粗糙。
(2) 调整椭圆偏振仪
首先需要进行仪器校准，保证椭圆偏振仪能够正常工作。然后，将样品放置在椭圆偏振仪的样品台上，调整偏振仪的角度、波长等参数，使样品的反射和透射光能够被完全接收和测量。
(3) 测量反射光
打开椭圆偏振仪的偏振片，使入射光为线偏振光，然后测量样品反射光的偏振椭圆参数。一般需要测量三个不同角度和波长条件下的参数，以保证数据的准确性。
(5) 数据处理
通过测量数据，可以得到样品的反射和透射光的偏振椭圆参数。根据计算公式，可以计算出样品的折射率和厚度等光学参数。需要注意的是，测量过程中需保持仪器稳定，以免数据误差。
3. 注意事项
(1) 样品表面应该光洁度良好，无缺陷和过度粗糙。
(2) 测量前需要进行椭圆偏振仪的校准，保证仪器能够正常工作。
(4) 测量过程中需要保持仪器稳定，以免数据误差。
(5) 需要注意心理学处理的方法和如何保留数据以及整合数据，以便之后的进一步研究和分析。
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单波长椭偏法测试分析薄膜
的厚度与折射率
一、实验目的
掌握椭偏法的基本原理，学会使用单波长椭偏仪测硅衬底上透明膜厚度和折射率。
二、实验原理
1、偏振光的分类
偏振是各种矢量波共有的一种性质。对各种矢量波来说，偏振是指用一个常矢量来描述空间某一个固定点所观测到的矢量波（电场、应变、自旋）随时间变化的特性。光波是一种电磁波，电磁场中的电矢量就是光波的振动矢量，其振动方向与传播方向相垂直。电矢量在与光传播方向垂直的平面内按一定的规律呈现非对称的择优振动取向，这种偏于某一方向电场振动较强的现象，被称为光偏振。
正对着光的传播方向观察，电矢量的方向不随时间变化，其大小随着相位有规律地变化的光为线偏振光或者称为平面偏振光，在与光的传播方向相垂直的平面上，其轨迹为一条直线；若电矢量的大小始终不变，方向随时间规则变化，其端点轨迹为圆形，则为圆偏振光；若电矢量的大小和方向都随时间规则变化，其端点轨迹呈椭圆形，则为椭圆偏振光。如果光呈现出各方向振福相等的特征，并不在某一方向的择优振动，将这种光称为自然光；将自然光与线偏振光混合时，呈现沿某一方向电场振幅较大，而与其正交的方向电场振幅较弱但不为零的特性，这种光为部分偏振光。
2、偏振光的产生
用于产生线偏振光的元件叫起偏器。用于检验和分析光的偏振状态的元件叫检偏器。虽然两者的名称不同，但起偏器和检偏器大都具有相同的物理结构和光学特性，在使用中可互换，仅根据其在光学系统中所扮演的角色而被赋予了不同的名称。
3、反射式椭圆偏振光谱测量的基本原理
（1） 偏振光学系统
在椭偏仪中，偏振光束是通过一系列能产生特定偏振状态的光学元件来进行传播的。在这方面，椭偏仪是属于这样一类光学系统，其中光的偏振表示了经过此系统内的光学元件处理过的光波的基本性质。我们把这类光学系统称为偏振系统，以区别于其他类型的光学系统，即在其它许多系统中，受影响的是光波的某种性质但不是它的偏振状态。例如，在成象光学系统中，置放在光路中的光学元件对光波播前的振幅（强度）进行变换。不同类型的光学系统内的装置有很大的不同，成象光学系统主要由透镜和空间滤光片构成。 而偏振光学系统则由起偏器、延迟器和旋光器组成。虽然按照光学系统所能处理的光波的基本性质来划分光学系统的方法是十分吸引人的，但是，对于同时能使光波的一种以上性质发生显著变化的光学系统来说，一般的描述办法就有些困难了。
（2）椭偏仪装置的测量理论和分析
椭偏学一般可定义为对偏振矢量波的偏振态进行测量和分析的方法和系统。虽然光波偏振态的测量本身就具有重要意义，但利用椭偏测量的原理和方法，通常可获得偏振态发生变化的“某光学系统”的有关信息。我们在椭偏学研究中所采取的一般方法是，作为探针的偏振光波能够有控制地与待测光学系统发生相互作用。这种相互作用将改变光波的偏振态（也十分可能引起其他性质变化）。测量偏振的初态和终态，或反复测量适当数目的不同初态，例如利用系统的琼斯或米勒矩阵，便可确定所研究的系统对偏振光的变换规律。 光学系统的琼斯或米勒矩阵传递了该光学系统的有关信息，为了取得更基本的信息，就必须利用光的电磁学理论来研究该系统内光与物质的相互作用。换句话说，要求研究偏振态变化的内部过程，以弄清由琼斯或米勒矩阵所描述的光学系统的性质变化究竟来源于哪些内部机理。 通用椭偏仪的工作布局图如图1所示。来自合适的光源L的准直性能优良的单色光或准单色光，经可调起偏器P产生已知的偏振态可控的光束。这束光与待测光学系统（S）相互作用，从而使光束偏振态发生变化。利用其后连有探测器D的可调检偏器A，来检测系统输出端的偏振态的变化。 图4普通椭偏仪的工作布局。L、P、S、A和D分别代表光源、可调起偏器、待测光学系统、可调检偏器和光电探测器。 现在假定光波与光学系统间的相互作用是线性的，并且无频率变化，光学系统可通过下面的一种或几种过程而是作为探针的光波偏振
态发生变化： (1). 反射或折射：当光波在两个不同的光学媒质界面上发生反射或折射时，偏振态会发生突变。这种变化的原因是，对于与入射面相平行（p）和垂直（s）的两种线偏振光分别有不同的菲涅耳反射或透射系数。 (2). 透射：当一束光通过一各向异性媒质（折射率、吸收率或两者，均存在各向异性）时，其偏振态将连续变化。 (3). 散射：当光波穿过因存在散射中心而其折射率具有空间不均匀性的媒质时，便发生散射，就像在气旋体与乳状液中那样。反射和透射并不明显影响原光束的准直性，但散射不同于它们，通常伴随着散射能量在一大的立体角范围内重作分布现象。 根据改变光波的偏振态的作用方式，可将椭偏测量方法分为： (i) 反射或表面椭偏测量法 (ii) 透射椭偏测量法（偏振测量法）。
图1 普通椭偏仪的工作布局。L、P、S、A和D分别代表光源、
可调起偏器、待测光学系统、可调检偏器和光电探测器。
现在假定光波与光学系统间的相互作用是线性的，并且无频率变化，光学系统可通过下面的一种或几种过程而是作为探针的光波偏振态发生变化： (1). 反射或折射：当光波在两个不同的光学媒质界面上发生反射或折射时，偏振态会发生突变。这种变化的原因是，对于与入射面相平行（p）和垂直（s）的两种线偏振光分别有不同的菲涅耳反射或透射系数。 (2). 透射：当一束光通过一各向异性媒质（折射率、吸收率或两者，均存在各向异性）时，其偏振态将连续变化。
(3). 散射：当光波穿过因存在散射中心而其折射率具有空间不均匀性的媒质时，便发生散射，就像在气旋体与乳状液中那样。反射和透射并不明显影响原光束的准直性，但散射不同于它们，通常伴随着散射能量在一大的立体角范围内重作分布现象。 根据改变光波的偏振态的作用方式，可将椭偏测量方法分为： (i) 反射或表面椭偏测量法 (ii) 透射椭偏测量法（偏振测量法）(iii) 散射椭偏测量法。 值得指出是，虽然许多测量方法的基本原理都相同，但上述分类却对应于三种性质各异的研究领域，它们彼此之间存在着很大的差别。 利用探测光随偏