基于椭偏光谱仪的石英波片光轴方位探测
椭偏仪的测折射率和薄膜厚度
椭偏仪测折射率和薄膜厚度实验简介椭圆偏振光在样品表面反射后，偏振状态会发生变化，利用这一特性可以测量固体上介质薄膜的厚度和折射率。
它具有测量范围宽（厚度可从10^-10~10^-6m量级）、精度高（可达百分之几单原子层）、非破坏性、应用范围广（金属、半导体、绝缘体、超导体等固体薄膜）等特点。
目前商品化的全自动椭圆偏振光谱仪，利用动态光度法跟踪入射光波长和入射角改变时反射角和偏振状态的变化，实现全自动控制以及椭偏参数的自动测定、光学常数的自动计算等，但实验装置复杂，价格昂贵。
本实验采用简易的椭圆偏振仪，利用传统的消光法测量椭偏参数，使学生掌握椭偏光法的基本原理，仪器的使用，并且实际测量玻璃衬底上的薄膜的厚度和折射率。
在现代科学技术中，薄膜有着广泛的应用。
因此测量薄膜的技术也有了很大的发展，椭偏法就是70年代以来随着电子计算机的广泛应用而发展起来的目前已有的测量薄膜的最精确的方法之一。
椭偏法测量具有如下特点：1.能测量很薄的膜（1nm），且精度很高，比干涉法高1-2个数量级。
2.是一种无损测量，不必特别制备样品，也不损坏样品，比其它精密方法：如称重法、定量化学分析法简便。
3.可同时测量膜的厚度、折射率以及吸收系数。
因此可以作为分析工具使用。
4.对一些表面结构、表面过程和表面反应相当敏感。
是研究表面物理的一种方法。
实验仪器椭偏仪测折射率和薄膜厚度实验装置包括：激光器（氦氖或半导体）、分光计、光栏、望远镜、黑色反光镜、薄膜样品、起偏器、检偏器、1/4波片。
实验内容1.熟悉并掌握椭偏仪的调整椭偏仪实物图椭偏仪结构示意图椭偏仪的实物如上图所示。
了解图中各部件的作用，并学会正确调整。
2.调整光路，并使入射到样品的光为等幅椭圆偏振光(1)安装半导体激光器并调整分光计，使半导体激光器光束、平行光轴的中心轴、望远镜筒的中心轴同轴。
(2)标定检偏器透光轴的零刻度，并使检偏器的透光轴零刻度垂直于分光计主轴。
将检偏器(检偏器的透光为0°方向)套在望远镜筒上，90°读数朝上，将黑色反光镜至于载物台中央，使激光束按布儒斯特角(约57°)入射到黑色反光镜表面。
椭偏技术在薄膜光学测量中的应用研究
动 方程 为椭 圆方程 ， 合振 动矢量 的端 点轨迹 一般为 椭圆 ， 即获 但是调试过程繁琐 ， 难于实现 。（） 于 白光光 源的颜色色调检 ３基 得 椭 圆偏振光 ， 再将 其经过 待测薄膜产 品表面 反射 ， 反射光 是 测 法 制 成 的 椭 偏 仪测 量 膜 厚 时 ， 施 起 来 不 难 ， 不 能 用 来 测 实 但
也不高， 容易实现。测量膜厚范围虽然是微米级别， 但精度 比较 高 。（） ５ 采用激光光源进行激光干涉 法的椭偏仪中， 激光束通过
【 关键词］Ｔ Ｔ Ｏ； Ｚ 电导率 Ｉ Ｏ； Ｃ Ａ Ｏ；
由于 薄膜产品特别是各种光 电产 品薄 膜，在太阳能 电池 、 垂 直 纸 面 的 Ｓ分 量 和 平 行 于 纸 面 的 Ｐ分 量 可 根 据 ｒ ＝ 等离 子技 术、 学薄膜期间、 光 微电子器件等方面有着广泛应 用，
因此 收 到 光 学 材 料 界 的 高度 重 视 。能否 准 备 无 误 测 量 出各 种 薄
ｓ
见膜 厚测量的重要性 。 而椭偏技术在测量薄膜 的厚度和介质折 计算 出来 。测量膜厚之前 ， 首先需将根据椭偏技术制成的椭偏 射 率等参数方面得 到了广泛应用 。在现代科学技术 中 ， 膜有 仪 的光 路进行调节 ， 得光源经过 反射镜后成平 行光 ； 薄 使 经过偏
着 广泛的应用 ， 因此 测 量 薄 膜 的技 术 也有 了 很 大 的发 展 。 膜 厚 振片后得到线偏振光 。线偏光入射到待测薄膜表面后所得到 的 的测 量方法 有 电阻法 、 电电压 法、 放 电容法 、 激光 衍射法 、 纤 反射光 ， 光 其偏振状态必将发生变化 。可用 单色仪将光路分光 ， 再 位 移 传 感 器 法 、 偏 法 以及 超 声 共 振 法 等 等 。 随 着 由于 电子 计 用光 电探测 器将 光信号变成 电信号 ， 椭 送入计算 机软件 分析。测 算 机 的广 泛 应 用 而 发 展 起 来 的 目前 已有 的 测 量 薄 膜 的 最 精 确 量时 ， 先确 定光路经过 的第一个偏 振片是否放在通光轴为零度
基于椭偏光谱仪的石英晶体1310nm处双折射率的精密测量
向上偏振光相位差的精密测量原理 ， 在透射模 式下 ， 通过对琼斯矩阵的分析 ， 设计 了一种精密测量晶体双折 射率的方法 ， 并在室温 （２℃） ２ 下对通讯 波段 １３ ０ｎ ｌ １ ｌ 处石英 晶体 的双折射率进行了精密测量 ， Ｔ 测量结果 和 对误差 的分析显示 ， 此方法给 出的双折射率测量值 的精度 高达 １ 量级 ，为 目前 可查 阅的最高精 度 ， 于 Ｏ 对
和计算 ，对计算 结果的误 差分 析表明 ，双折射率 值的测量 精
度达 到了 ｌ 量级 ， Ｏ 为精密 的石英 晶体光学器件的设计和制
作 提供 了可靠 的高精度双折射率参数 ， 具有 重要 的实 际应 用
意义 。
光学 等领域有着 重要 的应用［ ］ 折射率 是石英 晶体 的一 １ 。双 个 重要光学参数 ， 其测量精度将直接的影 响石英 晶体 制作 的 波片 、 补偿器与延迟器等光学器件 的性 能 ，国内外许 多光学 测量研究者都致力于实现最 大双折射率 的高精度 、 速简易 快 测量［ 。石英 晶体双折射率 受温度 的影 响，同时双折 射率 ６ ］
还存在着色散 ，因而石英 晶体双折射率的精密测 量是一件较 困难 的工作ｌ ，目前 比较常用 的测 量方法 为最小偏 向角 法 、 ８ ］ 折光率计法 、 干涉测量法Ｌ 。在常 用通讯波 段 １３ ０ｍ 处 ， ９ ］ １ 目前报道 的最高精度为 １ ｌ ０ １ 。
１ 测 量 原 理
椭圆偏振光谱仪采用熔 融石英光弹调 制器 ，实现 了对 Ｐ 和 ｓ两垂直偏振方 向上线偏振光相位差的直接测量 ， 与常用 的基于分光光度计的偏 光干涉测量法相 比， 彻底 的避免 了光
源发光强度的波动对测量精度的影响 ，同时还避免 了对 干涉
极值点进行 曲线拟合导致 的误差 ， 使双折射 率的测量精度 提 高达一个数量级 。 工作通过对椭 圆偏振光谱 仪在透射模式 本 下 的琼斯矩阵 的分析和计算 ， 设计 了一种利 用椭偏光谱仪 的 水平透射模式 ，对单 轴晶体双折射率进行精 密测量和计算 的 简便方法 ，具有光路 调节简 单 ， 量速度快 ，计算精 度高 的 测 特点， 并对室温（ ２℃） ２ 下厚度为 １ ８ ｍ的石英晶体块在 ０６ ６
偏振测量实验
偏振测量实验实 验者：杨亿斌(06325107) 合作者：吴聪(06325096)（中山大学物理系，光信息科学与技术06级3班 B19）2009年5月19日一、实验目的1. 了解和掌握光在各向异性介质中的传输和偏振光的基本概念。
2. 验证马吕斯定律。
3. 掌握偏振片、半波片、1/4波片的特性和作用，并通过实验验证。
二、实验用具He-Ne 激光器、偏振器（格兰-泰勒棱镜）2块、半波片（632.8nm,石英晶体）1片、1/4波片（632.8nm,石英晶体）1片、光具座1套、电动旋转架3套、光电探测器1套、计算机操作软件等。
三、实验原理1. 偏振光的产生光是电磁波，可用两个相互垂直的振动矢量---电矢量E 和磁矢量H 表征。
习惯上称E 矢量为光矢量，代表光振动。
若光振动局限在垂直于传播方向的平面内，就形成平面偏振光，因其电矢量末端的轨迹成一直线，通称线偏振光；若只是有较多的电矢量取向于某固定方向，称作部分偏振光。
如果一种偏振光的电矢量随时间作有规律的变动，它的末端在垂直于传播方向的平面内的轨迹呈椭圆或圆形，这种偏振光就是椭圆偏振光或圆偏振光。
2. 布儒斯特角当光从折射率为n 1的介质入射到折射率为n 2的介质分界面，例如由空气入射到玻璃，且入射角满足)/arctan(12n n B =θ （1）时，反射光为完全偏振光，振动面垂直于入射面。
这是由于根据反射定律和折射定律由（1）式可得此时反射角和入射角之和为90°，再由菲涅耳公式可知此时反射光的平行分量为0，只有垂直分量。
B θ称为布儒斯特角，（1）式即为布儒斯特定律。
图13. 马吕斯定律如果光源中任一波列（用振动平面E 表示）投射在起偏器P 上，只有相当于它的成分之一的y E (平行于光轴方向的矢量)能够通过，另一成分θcos E E x =则被吸收。
与此类似，若投射在检偏器A 上的线偏振光的振幅为0E ,则透过A 的振幅为θcos 0E ,这里θ是P 与A 偏振方向之间的夹角。
基于石英音叉探测器的激光光谱技术研究
状和发展趋势进行详细调研。
采用合作研究和自主开发相结合的方法，开发基于。
技术路线与实验方案
技术路线
从石英音叉探测器和激光光谱技术的原理出发，首先进行理 论分析，然后进行实验测试和数据采集，最后进行结果分析 和总结。
实验方案
设计并制作石英音叉探测器，搭建基于石英音叉探测器的激 光光谱实验系统，进行光谱测试和数据分析，优化实验条件 和参数，最终实现基于石英音叉探测器的激光光谱技术研究 。
基于石英音叉探测 器的激光光谱技术 研究
2023-10-29
目录
• 研究背景和意义 • 国内外研究现状及发展趋势 • 研究内容和方法 • 预期成果和贡献 • 结论与展望
01
研究背景和意义
研究背景
石英音叉探测器具有高灵敏 度、低成本和易于集成等优 点，在激光光谱技术中具有
重要应用价值。
传统的光谱技术对于某些特 定物质的分析存在局限性， 需要开发新型光谱技术来提
THANKS
感谢观看
02
研究激光光谱技术的原理和应 用，包括光谱分析、光谱仪器 的性能和使用方法等。
03
研究石英音叉探测器在激光光 谱技术中的应用和优化，包括 与激光器的配合、信号处理和 数据采集等。
研究方法
01
采用理论分析和实验测试相结合的方法，对石英音叉探测器的 性能进行详细研究。
02
采用文献调研和实验验证相结合的方法，对激光光谱技术的现
实验结果表明，该技术可以实现对微弱光信号的检测，有望应
03
用于生物医学、环境监测等领域。
研究不足与展望
当前研究主要集中在石英音叉探测器的设计和 制作方面，对于其应用领域的研究尚不充分， 需要进一步拓展。
激光光谱技术的理论模型和实验方法尚需进一 步完善，以提高测量精度和稳定性。
光谱椭偏仪
光谱椭偏仪光谱椭偏仪是一种常用的光谱仪器，它可以用来测量物质的光谱。
光谱椭偏仪是一种特定的色谱仪，裸眼可以观察到不同波长的光，在光谱椭偏仪中，它们被分解成多种类型的波长，比如紫外线、可见光和红外线。
光谱椭偏仪最初是由法国物理学家埃利斯兰迪于1886年发明的。
兰迪的发明使得椭偏仪的使用在研究物质的可见光和红外光谱中变得更加有效。
这种仪器可以用来检测和分析材料的光谱特性。
它可以用来研究物质的光吸收、发射和散射特性。
此外，光谱椭偏仪还可以用于化合物的鉴定、药物的分析、矿物组成的研究以及植物色素的分离等等。
光谱椭偏仪的基本构成根据其功能可分为光源、光谱元件、分析仪和记录仪四大类。
光源由灯泡、白光源和激光器等多种不同类型的设备组成，负责将光照射在实验样本上。
光谱元件是一种分光镜，可以将实验样本所吸收的光分为不同的波长。
其中，一种最常用的分光镜是谐振腔。
分析仪负责对光谱进行数据分析，这些数据可以用来推断样本的特性，比如颜色、温度、结构等等。
最后，记录仪负责将数据保存下来，供以后参考或进一步研究。
光谱椭偏仪在现代科学和工程领域中发挥着重要的作用，它被广泛应用于物理化学、生物检测、矿物研究、天文学观测以及材料科学等领域。
例如，它可以用来研究星际物质的光谱特性，以了解星星的生长和消失的原因；它可以用来测量物质的光谱特性和变化，以探索其分子结构和性质；它还可以用来用来研究材料的光谱特性，以指导材料的开发和设计。
从以上介绍可以看出，光谱椭偏仪在物理化学、生物检测、矿物学和材料科学等领域发挥了重要作用，其发明被认为是光学和物理学发展的里程碑。
这种仪器使实验测试变得更加有效，可以准确测量物质的光谱特性，为科学研究提供支持。
椭圆偏振光旋转特性实验研究
ＬＩＵ ＹＵ—ｘｉａｎ
（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｂｏｒａｌｏｒｙ，Ａｄｕｌｔ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｂｕｒｅａｕ ｉｎ Ｆｕｓｈｕｎ Ｌｉａｏｎｉｎｇ．Ｆｕｓｈｕｎ １１３００８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ＧＳＺＦ一３ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｌｉｇｈｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｌｉｇｈｔ ｉｓ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ ｔｏ ｌｉｎｅ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｌｉｇｈｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ－ｄｅｌａｙ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｖｅｐｌａｔｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｅ ｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｎｅ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｌｉｇｈｔ，ｒｉｇｈｔ ｏｒ ｌｅｆｔ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｃａｎ ｂｅ ｗｏｒｋｅｄ ｏｕｔ ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｌｉｇｈｔ；ｗａｖｅｐｌａｔｅ；ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．
一种利用调制光谱形状判断波片快轴方位的新方法
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｖｏ ． １， ． ｐ ４ ～ ９ １ ３ Ｎｏ ２， ｐ ９６ ４ ９
Ｓ ｅ ｔｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃ ｒ ｌＡｎ ｌ ｓｓ ｐ ｃ ｒ ｓ ｏ ｙ ａ ｄ Ｓ ｅ ｔａ ａ ｙ ｉ
Ｆｅ ｒ ａ ｙ ０ ｂ ｕ ｒ ，２ １ １
变换的重要元件 ， 其表示质量 的技术参量数量虽然 没有统一 要求 ，但是 ， 相位延迟量和快慢 轴方 向这 两个 参量必定要 明
确标识 的。 于波片光相位延迟 的测 量方法 比较 多 ， 电光 对 如 调 制法 ［ ，外差 干涉 法ｃ ］ 光 度 法［ 光 弹 性 调 制 法 ｌ 、椭 １ ］ 、 。 、 ５ ］ 偏测量法［ 、干涉条纹法［ 、 ６ ］ ７ 调制补偿法ｌ ］ ， ］ ８ 等 近年来 由清
＊通 讯 联 系 人 ｅｍａ ：ｚｕ ｆ ｕ ｃ ｅｕ Ｃ － ｉ ｈ ｈ＠ ｐ． ｄ ．Ｄ ｌ
ｅｍａ ：ｋ ｏ ｇ － ｉ ｌｓｎ ＠４ｎ ． ｄ ．ｎ ｌ ｕ ｅ ｕ ｃ
第２ 期
置 ，电子线路 已经 非常容易做到 ， 避免 了人 为误差 。 我们可 以将此过程用琼斯矩 阵表示
在电光晶体 上的直流 电压值就反映 了波片相位 的延迟量 。 这 里值得 注意 的是零点如何确定的问题 ， 过眼睛的判断显然 通
不可取 ， 技术上采用直流电压上叠加 一个 固定频率 － 厂的交 流
且光强受到某一交流频率 ，信 号的调制 ，这为我们精 确确定
收 稿 日期 ： ０ ００ —２ 修 订 日期 ：２ １－９ ６ ２ １－６０ ． ０ ００ － ０
波片快慢轴方位 的判断机理
用于椭偏测量系统中入射角度自动探测的装置[实用新型专利]
![用于椭偏测量系统中入射角度自动探测的装置[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/98acb2e44a7302768f993941.png)
专利名称：用于椭偏测量系统中入射角度自动探测的装置专利类型：实用新型专利
发明人：孟永宏,杨涛
申请号：CN201020147731.6
申请日：20100330
公开号：CN201666790U
公开日：
20101208
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种用于椭偏测量系统中入射角度自动探测的装置，包括用于产生具有偏振态的探测光波、并将其入射到样品上的起偏臂，用于对经样品反射后光波进行偏振态再调制和光能量检测的检偏臂，用于支撑起偏臂和检偏臂的基板，基板上设置有若干个位置探测开关，起偏臂和检偏臂上均设置有用于触发位置探测开关的触发装置，起偏臂和检偏臂转动到不同的位置，安装在其上的触发装置将改变位置探测开关的状态，从而获得该入射角度、反射角度的信号，以实现起偏臂和检偏臂的位置探测、及入射角度的自动探测。
本实用新型提供的用于椭偏测量系统中角度自动探测的装置和方法结构简单易于实现，具有成本低、快速、高效、自动化、高可靠性的优点。
申请人：北京量拓科技有限公司
地址：100098 北京市海淀区大钟寺东路9号京仪科技大厦C座309室
国籍：CN
代理机构：北京中创阳光知识产权代理有限责任公司
代理人：尹振启
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基于椭偏光谱仪的石英波片光轴方位探测
［
］
（ ） ２
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，修订日期： ２ ０ １ ２ ０ ６ ２ ９ ２ ０ １ ２ １ ０ ０ ５ 收稿日期： ） ，山东省自然科学基金项目（ ） 资助 １ １ １ ０ ４ １ ６ ０ Ｚ Ｒ ２ ０ ０ ９ Ｇ Ｌ ０ １ ０ 基金项目：国家自然科学基金项目（ ： １ ９ ８ ７年生，曲阜师范大学激光研究所硕士研究生 ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ７ ４ １ ０ ６ ７ ７ １ ６ ． ｃ ｏ ｍ 作者简介：张蓓蓓，女， ＠ｑ ｑ ： ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ｆ ｏ ｘ ｍ ａ ｉ ｌ ． ｃ ｏ ｍ； １ ２ ６ ． ｃ ｏ ｍ ｈ ａ ｎ ａ ｎ ｋ ｅ ｚ ｈ ｕ 通讯联系人 ＠ ＠ ｐ ｇ ｙ
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２ 结果与讨论
按照图１中的光路，放入检偏器，把波片固定在带刻度 的圆盘上，由 Ｓ Ｃ ３ ０ ０系列位移台控制箱控制石英波片转动， 旋转石英波片至消光位置，然后撤出检偏器，将起偏臂中起 偏器起偏方向调至４ 。 ５ ° 左右旋转石英波片，得到γ Δ 曲线，如图３中虚线所示， 曲线显示，在中心０ 位置时 Ｐ 和 Ｓ两方向上的位相差有最小 ° 值，与琼斯矩阵分析的理论曲线整体趋势相符，此情况对应 的是光轴方向为垂直方向。 使石英波片自消光位置开始，顺时针或者逆时针转动 后，以此位置为中心位置左右转动石英波片。得到δ ９ ０ ° Δ曲 线，如图４中虚线所示，在中心０ 位置时 Ｐ 和 Ｓ两方向上的 ° 位相差有最大值，与琼斯矩阵分析的理论曲线整体趋势相 符，此情况对应的是光轴方向为水平方向。
赵利用椭偏仪精确测量波片相位延迟
利用消光椭偏仪精确测量波片相位延迟量1.引言波片是基于晶体双折射性质的偏振器件，在光纤技术、光学测量以及各种偏振光技术等领域具有广泛的应用[1~3]。
其中1/4波片及1/2波片在偏振器件中应用尤其广泛。
测量波片相位延迟量的方法主要有：光强探测法[4]、旋光调制法[5]、半阴法[6]、光学补偿法[7]等。
这些方法主要基于对光强的测量，容易受光源的不稳定及杂散光的干扰，精度受到一定的限制，测量误差一般在0.5°。
我们从理论上分析了利用椭偏仪测量波片相位延迟量的可能性，讨论了其测量精度及误差来源，并利用HST-3型消光式椭偏仪[8]测量了1/4波片以及1/2波片相位延迟量。
实验表明：测量过程不受光强波动的影响，方法简单，操作方便，精确度高，测量波片相位延迟量精度达0.005°，是测量任意波片相位延迟量的有效及实用的方法。
2. 测量的原理利用消光式椭偏仪测量波片相位延迟量时，光路要调整成直通的状态。
如图1所示，其中P 为起偏器，Q 为标准1/4波片，C 为待测波片，A 为检偏器。
图1 椭偏仪测量波片相位延迟量光路图由透射式椭偏方程为[9]：tan ψ⋅e ∆i =ps T T = 2121P p s s E E E E = 1221s P s pE E E E ⋅ （1） 其中ψ和∆为椭偏参数，可由椭偏仪测量。
T p ，T s 分别是样品的p 分量和s 分量的透射系数，透射波的复振幅为（2P E ，2s E ），入射波的复振幅为（1p E ，1s E ）。
设θ为波片快轴与入射面的夹角，δ为其快慢轴之间的相位延迟量，则波片的通用矩阵为[10]：G=222cos sin cos 2sin sin 2i i δδδθθ-⎛ -⎝ 222sin sin 2cos sin cos 2i i δδδθθ-⎫⎪+⎭ (2) 取入射光1E =11p s E E ⎛⎫ ⎪⎝⎭，经过一个波片后，出射光2E 为： 22p s E E ⎛⎫ ⎪⎝⎭=222cos sin cos 2sin sin 2i i δδδθθ-⎛ -⎝ 222sin sin 2cos sin cos 2i i δδδθθ-⎫⎪+⎭⋅11p s E E ⎛⎫ ⎪⎝⎭ =111222111222cos sin cos 2sin sin 2cos sin sin 2sin cos 2p p s s p s E iE iE E iE iE δδδδδδθθθθ--⎛⎫ ⎪ ⎪-+⎝⎭⑶ 令11s pE E E =，（3）式代入（1）得 tan ψ⋅e ∆i = 222222cos sin cos 2sin sin 21cos sin cos 2sin sin 2i iE i i E δδδδδδθθθθ--+- ⑷ 所以（4）式就是测量样品的相位延迟量的椭偏方程，只要测量椭偏参数（ψ，∆）值就能通过椭偏方程求出波片相位延迟量δ。
光谱椭偏仪介绍
椭偏仪简介光谱型椭偏仪是一种用于探测薄膜厚度、光学常数以及材料微结构特性的光学测量设备。
可测的样品包括大块材料、薄膜以及在平面基底上生长或沉积的多层结构。
多层固体、液体、与固体相邻的液体以及与固体接触的气相等离子体的特性等都可以用这一技术来探测。
由于与样品非接触，对样品没有破坏并且不需要真空，使得椭偏仪成为一种极具吸引力的探测设备。
许多材料的特性都可以用椭偏仪来探测。
最常用的是用来测量薄膜的厚度。
还可以用来探测薄膜或大块材料的光学常数。
同时，还能够测量其他材料的属性，包括表面和界面的粗糙度、结晶度、金属和杂质浓度、光学各向异性以及其他影响材料光学常数的特性。
椭偏仪通常应用于有薄膜存在的地方。
其应用包括光学镀膜和保护膜、聚合物、光刻材料、平面平板显示、计算机读写头以及半导体集成电路制造的研究开发。
另外，在生物、医药、化学、电化学及基础材料研究等方面也有应用。
早期的研究主要集中于偏振光及偏振光与材料相互作用的物理学研究以及仪器的光学研究。
然而计算机的发展帮助椭偏仪在很多方面有了创新。
硬件的自动化和软件的成熟大大提高了运算的速度，成熟的软件提供了解决问题的新方法，因此，椭偏仪现在已被广泛应用于研究、开发和制造过程中。
早些年，椭偏仪的工作波长为单波长和少数独立的波长，最典型的是采用激光或对电弧等的强广谱光进行虑光产生的单色光源。
现在大多数的椭偏仪在很宽的波长范围内以多波长工作（通常有几百个波长，接近连续）。
和单波长的椭偏仪相比，多波长光谱椭偏仪有下面的以下的优点:多层探测的能力，可以测试不同波长的折射率等。
光谱波长的范围从深紫外的142 nm到红外55um可选。
许多的应用会要求在某一个特定的波长测量光学属性。
光谱的范围也可以根据被测材料的属性进行优化。
例如，掺杂浓度对材料红外光学属性有很多的影响，因此要选用红外椭偏仪。
薄膜的厚度测量需要光能够透过这一层，达到基底，然后返回到探测器，因此需要选用对该材料透明或部分透明的波长光。
一种利用调制光谱形状判断波片快轴方位的新方法
出现规整的二倍频信号!它与波片相位延迟大小无关%反过
'()&;!@-)/,0141-^/-8.?<+/6,(8)(83-82(3?2()80, "6$B(39 B0P-A7,03-+1(-8303(+8+4"j08<O"j08<39-0<<-<MI 2()80,"0$
#!波片轴性的判断方法
!!按上面分析!我们认定"正弦平方项为倍频项!那么观 察式">$发现!检 偏 器 输 出 的 信 息 由 三 部 分 组 成!第 一 部 分 是倍频项!第二部分是基频项!第三项是常数项%现在假设 将波片快轴选在零位!也就是与起偏器主透射方向平行位置 上!分两步改变波片在系统中的方位角.!第一步选择改变 1.!第二步选择改变+-]k1."相当于慢轴在零位!沿相同方 向旋转波片 1.$%1.和+-]k1.并不会影响到二倍频项!但 对于基频项!两种情况下系数是一个相反的结果!致使倍频 和基频信息叠 加 后 的 信 号 发 生 不 同 的 形 状 变 化!如 图 ! 所 示%据此!我们可以通过观察信号的图形变化!就可能判断 出快轴方向还是慢轴方向% !!图!"5$说明系统已经达到消光位置!并且波片快轴或慢 轴之一平行于 起 偏 器 主 透 射 方 向!也 就 是 所 谓 的 系 统 零 方 位!在此位置基础上!旋转波片!信号波形将发生变化%如 果标定一只%%5 的波片!其波形由图!"5$变 为 图 !";$变 化 情况时!零位为波片快轴方向!对%%5 的待测波片旋转 1. 图!"0$波形变化情况时!就认定零位对应的是慢轴方向%波
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光谱型椭偏仪对各向异性液晶层的测量!-物理学报
02/=
所有的椭偏参数， 也无法实现对各向异性介质的测 当 试 ! 但对于单轴性液晶层存在一个特殊的现象： 液晶光轴方向与光束的入射面平行或者垂直时， " 光和 # 光将特殊地独立反射， 此时其对应的琼斯矩
［$］ 阵将化为对角形式 我们就可以 ! 利用这个特点，
结构简图如图 3 所示 ! 光源 （ =/> #"<: 型椭偏仪， 灯） 发出的光经由光纤导入到入射臂， 经过起偏 ?’ 器 % 入射到样品表面， 起偏器的偏振方向为沿光路 逆时针 + @/A方向， 入射角 !2 为 =2A； 反射光经过反 射臂中的光弹性相位调制器 & 和检偏器 ’ 后再由 光纤导入分光光谱仪， 检偏器的偏振方向与起偏器 平行， 调制器置于 2A， 它可以在 "， # 光之间产生调制 速率为 /2BCD 的周期性相位变化 ! 光谱适用范围为 为了保证液晶光轴方向与 %@2—E32-F! 在测量时， 入射面之间的严格位置关系这一测量条件， 通过一 个由步进电机控制的旋转样品台来实现样品在水平 平面内的全方位旋转， 控制精度可以达到 242/A! 通 过在起偏器为 2A 时旋转样品台同时监测调制强度 的一次和二次谐波分量 ( " 和 ( %" 两个参数直到
液晶是目前广泛使用的一种各向异性材料 * 液 晶盒的光学特性在很大程度上取决于液晶层的双折 射率和厚度等特性， 对盒中液晶层的精确综合测量 一直是一个很重要的课题 * 但是目前能够对液晶层 做综合分析的手段非常有限 * 测量液晶的双折射率目前有如下一些方法： !） ［!］ 干涉色级法 ： 这种方法比较简单， 多用来测量生物 液晶的双折射率， 但是它的精度不高， 只能得到双折 衰减全反射法 ： 它具有探测深 射率的一个范围； "） 度大， 探测信息量大等特点， 但是它的测量过程很复 杂而且要得到较高的精度很困难； 阿贝折射仪 ： $） 这种方法只能测量 ! , * 上述三种方法均不能同时测 量液晶盒的厚度 * 测量液晶盒的厚度目前有如下的方法： 干涉法 和相位补偿法 * 但是由于液晶盒内具有 84， 4PQ 等 多层薄膜， 结构非常复杂， 利用这些方法都很难得到 高精度的液晶层厚度 *
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Ｊ ａ ｎ ｕ ａ ｒ ｙ ，２ ０ １ ３
基 于椭 偏 光谱 仪 的 石英 波 片光 轴 方位 探 测
张蓓蓓 ， 韩培高 ， 付 世荣 ， 朱久凯 ，闫珂柱
山东省激光偏光与信息技术重点实验室 ， 曲阜 师范大学激光研究所 ， 山东 曲阜 ２ ７ ３ １ ６ ５
摘
要
波片 的光轴方 向是波 片应 用中最重要 的参 数之一 。在椭 偏光 谱仪透射 模式下 ，利用 琼斯矩 阵对 波
基金项 目： 国家 自 然科学基金项 目（ １ １ １ ０ ４ １ ６ ０ ） ， 山东省 自然科学基金项 目（ Ｚ Ｒ ２ ０ Ｏ ９ Ｇ Ｌ Ｏ １ Ｏ ） 资助
作者简介 ： 张蓓蓓 ， 女， １ ９ ８ ７ 年生 ， 曲阜师范大学激光研究所硕士研究生
＊通讯联 系人
ｅ － ｍ ａ ｉ ｌ ： ７ ４ １ ０ ６ ７ ７ １ ６ ＠ｑ ｑ ． ｃ ｏ ｎ ｒ
第３ ３ 卷， 第１ 期 ２ ０ １ ３年 １月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｖｏ １ ． ３ ３ ， Ｎｏ ． １ ， ｐ ｐ ２ ７ ５ — ２ ７ ７
Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ ａ ｎ ｄ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
旋转过程 中 Ｐ和 Ｓ两方 向上位相差的变化进行分析 ，设计 了
一
种判断石英波 片光轴 方向的新方法 。 应 用此方法 判断光轴
方 向，具有光路结构 简单 ， 检 测速 度快 的特点 ，并且具 有很
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．
好的实用性 。
１ 椭偏 光谱 仪判断石英 晶体光轴 的原理
片旋转过程 中 Ｐ和 Ｓ 两方 向上位相的变化进行分析 ， 设 计 了一 种判 断石英波 片光轴方 向的新方 法 。 应 用此 方法判 断光轴方 向， 具有光路 结构简单 ，检测速度 快的特点 ， 且具有很好 的实用性 。
关键 词
光谱 ； 波片； 光轴 ； 相 位差
文 献标 识码 ： Ａ Ｄ Ｏ Ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ４ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ — ０ ５ ９ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ — ０ ２ ７ ５ — ０ ３
Ｆ ｉ ｇ ． １ Ｔｈ ｅ ｐ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ｏ ｆ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｐ ａ ｔ ｈ ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｉ ｓ ｕ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ０ ｐ —
ｔ ｉ ｃ ａｌ ａ ｘｉ ｓ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏｆ ｑｕ ａ ｒ ｔ ｚ ｃ ｒ ｙ ｓ ｔ ａｌ ｂ ｙ ｔ ｈｅ ｅ ｌ ｌ ｉ ｐｓ ｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ
ｅ － ｍａ ｉ ｌ ： ｐ ｇ ｈ ａ ｎ ＠ｆ ｏ ｘ ｍａ ｉ ｌ ． ｃ ｏ ｎ； ｒ ｙ ａ ｎ ｋ ｅ ｚ ｈ ｕ ＠１ ２ ６ ． ｃ ｏ ｒ ｇ ｉ
２ ７ ６
光谱学与光谱分析
第３ ３卷
［ 翰一 ｃ ｏ ｓ ！ ？ ｙ － ｓ ｉ ｎ ） ， ７ ［ ０ ］ ・
中图分类号 ： ０４ ３ ９
引 言
Ｘｅ ｌ ａ ｍｐ Ｐ ｏ ｌ ａ ｉｚ ｒ ｅ ｒ Ｓ ａ ｍｐｌ ｅ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｉ ｎ ｇ Ａｒ ｍ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｇ ｒ ａ ｐ Ｄａ ｔ ａＡｃ ｑ ｕｉ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ
随着偏光技术 的发展 ， 石英波 片作 为各类光学 仪器 的基 本器件 ，已经 被广 泛应 用 。光轴 方 向是 波片 的 一个 重 要参 量 ，波片在使用 中必须先确定 光轴方 向。目前波片 光轴方位 的判断方法有 多种 ， 例 如 ：相位 比较 法［ 】 ］ 、相位调 制法 ［ 、 迈克尔逊 干涉 法［ ５ ］ 、 旋 转波 片法［ ６ ］ 、菲涅 尔菱 体法［ ７ ｊ 、调制 光谱法等 。相位 比较法和相位 调制法 只能大概 准确方 位 ； 迈
消光 ，此时波片光轴方 向处于 Ｐ方 向或者 Ｓ 方向。
收稿 日期 ：２ ０ １ ２ — ０ ６ — ２ ９ ，修订 日期：２ ０ １ ２ — １ ０ － ０ ５
Ｆ ｉ ｇ ． ２ Ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｖ ｉ ｅ ｗ ｏ ｆ ｉ ｎ ｄ ｉ ｃ ａ ｔ ｒ ｉ ｘ ｉ ｓ
为进一步确定此时波片光轴方向为 Ｐ方向或 ｓ方 向， 需 取 出检偏 器 ， 调节 起偏臂 中起偏 器起偏 方 向为 ４ ５ 。 ， 旋 转波 片， 观察波片在 Ｐ和 ｓ两方 向上位相差 的变化情况 ，根据相 位差 变化情况的不同 ， 判断波片光轴 的具体方 向。
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、
克尔逊干涉法 、 旋转波片法 、 菲涅尔菱 体法 和调制 光谱 法能 够准确判断光轴方位 ， 但是过程 比较麻烦 。 基 于椭偏光谱 仪的水平透射模式 ，利用琼斯矩 阵对波 片
图１ 为椭偏光谱仪探测 石英 晶体光轴方 向的光路结构示
意 图。实 验采用 了法 国 Ｊ ｏ ｂ ｉ ｎ Ｙｖ ｏ ｎ公 司生产 的 ＵＶＩ Ｓ Ｌ型 的
椭偏光谱仪 ， 在椭偏光谱仪透射模 式下 ， 先将起 偏臂 中起偏
器起偏方 向调 为 ０ 。 ，即透振方 向为竖直方 向（ Ｐ方 向） ，把检 偏器放入光路 中 ， 调节其透振方 向使光路 消光 ， 此 时透振方 向为水平 （ Ｓ方向） ， 然后把石英 波片放 人起偏 臂和检偏 臂 中 间， 使 光线垂直于石英波片表 面入 射 ，旋转 波片使光路 再次
ｉ ｎ ｉ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｅ ｄｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏｎ ｏ ｆ ｚ ａ ｘ ｉ ｓ
以 Ｐ方 向为 Ｘ轴 ， Ｓ方 向为 轴 ， 光线传播方 向为 轴 ，
建立 坐标 系 ，图 ２ 为逆着 轴方 向的 光率体截 面 图，ｙ为波 片旋 转后 光轴与 Ｐ方向的夹 角Байду номын сангаас， 光路的琼斯矩阵如下