【管理资料】椭圆偏振仪汇编

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椭圆偏振仪WZH（ＰＤＦ）

SGC-1A 椭圆偏振仪测量原理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．一、实验目的1、了解椭圆偏振法测量薄膜参数的基本原理；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行测量．二、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、椭偏法测量薄膜厚度的光路图椭偏法测量薄膜厚度的光路原理如图1所示．氦氖激光管发出的波长为 632. 8 nm 的光，先后通过起偏器Q，1/4波片C 入射到待测薄膜F 上，反射光通过检偏器R 射入光电接收器T．其中p 和s 分别代表平行和垂直于入射面的二个方向．快轴方向f，对于负晶体是指平行于光轴的方向，对于正晶体是指垂直于光轴的方向. 慢轴方向L，对于负晶体是指垂直于光轴方向，对于正晶体是指平行于光轴方向．从Q，C 和R 用虚线引下的三个插图都是迎光线看去的．t 代表Q 的偏振方向，f 代表C 的快轴方向，t r 代表R 的偏振方向．图1 椭偏仪光路2、椭偏方程与薄膜折射率和厚度的测量原理如图2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n 1的空气(或真空)．中间是一层厚度为d 折射率为n 2的介质薄膜，下层是折射率为n 3的衬底，介质薄膜均匀地附在衬底上，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 分别为在界面1和2上的折射角．根据折射定律有 332211sin sin sin n n n （2.1）图2薄膜干涉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E ip 和E is 分别代表入射光的p 和s 分量，用E rp 及E rs 分别代表各束反射光K 0，K 1，K 2，…中电矢量的p 分量之和及s 分量之和，则膜对两个分量的总反射系数R p 和R s 定义为R P ＝E rp /E ip , R s =E rs /E is （2.2）经计算可得 2212211i p p i p p ip rpp e r r e r r E E R ， 2212211i s s i s s is rs s er r e r r E E R （2.3）式中，r 1p 或r 1s 和r 2p 或r 2s 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．2δ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 )tan(/)tan(21211 p r , )sin(/)sin(21211 s r ；)tan(/)tan(32322 p r , )sin(/)sin(32322 s r . (2.4) 式（2.4）即著名的菲涅尔（Fresnel）反射系数公式．相邻两反射光束间的位相差为：122122224π4π2 sin cos n n d n d (2.5)式中，λ为真空中的波长，d 和n 2为介质膜的厚度和折射率．在椭圆偏振法测量中，为了简便，通常引入另外两个物理量ψ和Δ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为 ))(1()1)((tan 221221221221 i s s i p p i s s i p p s pi e r r e r r e r r e r r R R e (2.6)上式简称为椭偏方程，其中的ψ和Δ称为椭偏参数（由于具有角度量纲也称椭偏角）．由式(2.1),式( 2.4),式( 2.5)和上式可以看出，参数ψ和Δ是n 1，n 2，n 3，1 ，和d 的函数．其中n 1，n 3，和1 可以是已知量，如果能从实验中测出ψ和Δ的值，原则上就可以算出薄膜的折射率n 2和厚度d．这就是椭圆偏振法测量的基本原理．实际上，究竟ψ和Δ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n 2和d，均须作进一步的讨论．3、ψ和Δ的物理意义用复数形式表示入射光和反射光的p 和s 分量)exp(ip ip ip i E E ， )exp(is is is i E E ；)exp(rp rp rp i E E ， )exp(rs rs rs i E E ．（3.1）式中各绝对值为相应电矢量的振幅，各θ值为相应界面处的位相．由式（2.6）,式（2.2）和式（3.1）式可以得到)]}()[(exp{)exp()exp()exp()exp(//tan is ip rs rp iprs is rp ip ip rs rs is is rp rp is rs ip rp s p i i E E E E i E i E i E i E E E E E R R e)]()[(|||E ||||E |is ip rs rp ip rs is rp iΔi E E e exp tan （3.2）比较等式两端即可得 ip rs isrp E E E E tan ， )()(is ip rs rp （3.3）式（3.3）表明，参量ψ与反射前后p 和s 分量的振幅比有关．而参量Δ与反射前后p 和s 分量的位相差有关．可见，ψ和Δ直接反映了光在反射前后偏振态的变化．一般规定，ψ和Δ的变化范围分别为0≤ψ<π /2和0≤Δ<2π．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(除去ψ<π／4且Δ=0的情况)．为了能直接测得ψ和Δ，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 二分量的振幅相等）．这时，1/ ip is E E ,式（3.3）则简为： rs rp E E /tan （3.4）（2）要求反射光为一线偏振光．也就是要求0 rs rp （或π），式（3.3）则简化为)(is ip Δ （3.5）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R p /R s 是一定值．式（2.6）决定了 i e tan 也是某一定值．根据（3.5）式可知，只要改变入射光二分量的位相差（θip –θis ），直到其大小为一适当值（具体方法见后面的叙述），就可以使0 rs rp （或π），从而使反射光变成一线偏振光．利用一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，式（3.4）表明，tanψ恰好是反射光的p 和s 分量的幅值比，ψ是反射光线偏振方向与s 方向间的夹角，如图3所示．式（3.5）则表明，Δ恰好是在膜面上的入射光中s 和p 分量间的位相差．4、ψ、Δ和d 的测量（1）如图1所示．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，即1/ ip is E E ，只须转动1/4波片，使其快轴方向f 与s 方向的夹角α=土π/4即可．如图4所示：图4 0E 为通过起偏器后的电矢量，1p 为0E 与S 方向间的夹角（以下简称起偏角）．令γ表示椭圆的开口角（即两对角线间的夹角）．根据晶体光学知识可知，通过1/4波片后，0E 沿快轴的f E 分量与沿慢轴的l E 分量比较，位相上超前π/2．如图用数学式可以表达成: )4cos()4cos()2/cos(1021020p iE e p E e E E i i f(4.1) )4sin()2sin()22cos(1000p E E E E l （4.2）图3再将f E 和l E 向p 和s 两个方向投影可得到p 和s 的电矢量分别为： )43(01101101101010122)43sin()43cos(2224sin()24cos(22)4cos()4sin(22)4sin(22)4cos(224cos 4cos p i l f ip e E p i p E p i p E p i p E p E p E i E E E（4.3） )4(01101101101010122)4sin()4cos(22)42sin()42cos(22)4cos()4sin(22)4sin(22)4cos(224sin 4sin p i l f is e E p i p E p i p E p i p E p E p E i E E E（4.4）由式（4.3）和式（4.4）看出，当1/4波片放置在+π/4角位置时，的确在p 和s 两方向上得到了幅值均为2/20E 的椭圆偏振入射光．入射光的p 和s 的位相差为 11122443p p p is ip （4.5）另一方面，从图4上的几何关系可以得出，开口角γ与起偏角P 1的关系为142p 即 122p （4.6）则（4.6）式变为 is ip （4.7）由式（3.5）可得 22)(1 p is ip （4.8）（2）为了进一步使反射光变成为间一线偏振光E，可转动起偏器，使它的偏振方向t 与s 方向的夹角P 1为某些特定值．这时，如果转动检偏器R 使它的偏振方向t r 与E r 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．检偏方位角ψ，便可以在此消光状态下直接读出．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p 和检偏方位角．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1p 和1 值，而是将两种消光位置所对应的两组（1p , 1 ）,（2p , 2 ）值测出，经处理后再利用软件程序算出Δ和d 值．其中,( 1p , 1 )和（2p , 2 ）所对应的是1/4波片快轴相对于S 方向置+π/4时的两个消光位置或对应的是1/4波片快轴相对于s 方向置-π/4的两个消光位置(反射后P 和S 光的位相差为0或为π时均能合成线偏振光)．将两组（p , ）换算，求平均值，方法如下：（1）区分（1p , 1 ）和（2p , 2 ），当o o 900 ，为1 ,对应1 的为1p ，另一组为2 ，2p（2）把（2p , 2 ）换算成（'2p , '2 ）根据下式：2'2180 o ； o o o o o o p p p p p 1809090900902222'2当当（3）把（1p , 1 ）与（'2p , '2 ）求平均值，即：2/)('21p p p 2/)('21 将p ，代入软件程序即可计算出Δ和d值。

多功能激光椭圆偏振仪安全操作及保养规程

多功能激光椭圆偏振仪安全操作及保养规程1. 引言多功能激光椭圆偏振仪是一种用于测量材料光学性质的仪器。

本文档旨在向使用者提供多功能激光椭圆偏振仪的安全操作指南和保养规程，以确保使用者的人身安全和设备的正常运行。

2. 安全操作规程在使用多功能激光椭圆偏振仪之前，请仔细阅读并遵守以下安全操作规程：2.1 穿戴个人防护装备在操作多功能激光椭圆偏振仪时，必须穿戴适当的个人防护装备，包括但不限于护目镜、手套和防护服等。

2.2 避免直接暴露于激光光束激光光束具有很高的能量并可能对人眼和皮肤造成伤害。

在使用多功能激光椭圆偏振仪时，请避免直接暴露于激光光束，并确保其他人员也不会直接接触到光束。

2.3 定期校准和维护多功能激光椭圆偏振仪需要定期进行校准和维护，以保证测量结果的准确性和设备的正常运行。

请按照设备操作手册上的说明进行定期维护，并遵循相关的安全操作规程。

2.4 安全使用电源在使用多功能激光椭圆偏振仪时，请确保电源连接正确并牢固。

避免过载或短路现象的发生。

在维修或检查设备时，务必先切断电源，以避免触电风险。

2.5 禁止非授权人员操作只有经过培训和授权的人员才能操作多功能激光椭圆偏振仪。

未经授权的人员禁止操作设备。

2.6 紧急情况处理在发生紧急情况时，如设备故障或人员受伤等，请立即停止使用设备，并联系相关维修人员或急救人员处理。

3. 保养规程为确保多功能激光椭圆偏振仪的长期稳定运行和延长设备寿命，请遵循以下保养规程：3.1 定期清洁设备表面使用干净的软布轻轻擦拭设备表面，以去除灰尘和污渍。

请勿使用有机溶剂或腐蚀性物质进行清洁，以避免损坏设备。

3.2 避免强烈冲击和振动多功能激光椭圆偏振仪具有较高的灵敏度，因此请避免强烈的冲击和振动，以免影响设备的准确性和稳定性。

3.3 定期校准设备为保证测量结果的准确性，建议定期校准多功能激光椭圆偏振仪。

请按照设备操作手册上的说明进行校准。

3.4 注意存储环境多功能激光椭圆偏振仪的存储环境应符合设备要求，避免过高或过低的温度和湿度。

椭圆偏振仪讲稿.ppt

• SiC , Si3N4 thin films.
• Ferroelectic thin films such as BaxSr(1-x)TiO3,
Pb xZr(1-x)TiO3 system.
• Nitride doping α-DLC thin films. • TiO2 doping Polymide namometer materials. • SOI material and device. • ZnS-Ag-ZnS multilayers thin films. • Pb-Sr-Se semiconductor thin film on BaF2 substrate. • SnO2 on glass substrate
聚合物材料
SnO2 材料
光学梯度膜的测量
• Si基底上生长的SiC或Si3N4薄膜特点
Graded Film Substrate
Substrate
SiC薄膜所息
2 graded(sic_cauchy)/void 1 sic_cauchy 0 si_vuv
椭圆偏振仪的局限性
模型的任意性，变量之间的相关性，数据分析过程有时会很复杂，最终结果取决于分析人员的判断。
变角度光谱椭圆偏振仪
• 型号：W-VASE with AutoRetarderTM • 生产厂家：美国J.A.Woollam 公司 • 性能指标：
光谱范围：240-1100nm连续可调光谱分辨率：0.5nm 光束直径：1mm 光束发散角：0.05o 测量速度：每个波长1-2s
S-P坐标系中电磁波的电场分量描述
Erp rp 0
Eip
Ers = 0 rs = Eis
则有rp= Erp / Eip，rs= Ers/ Eis

椭圆偏振光椭圆形状的测定

椭圆偏振光椭圆形状的测定
椭圆偏振光椭圆形状的测定可以通过使用椭圆偏振仪或正交线偏振器进行测量。

如果采用正交线偏振器，可以用调制器将偏振光线调制到椭圆偏振状态，然后使用偏振光纤收集调制后的偏振光，并将其传输到偏振分析仪，以测量椭圆偏振状态。

另一种方法是使用椭圆偏振仪，它可以生成椭圆偏振光，将其传输到需要测量的椭圆偏振光源，然后再传输到偏振分析仪，以测量椭圆偏振状态。

最后，还可以使用椭圆偏振实验仪进行椭圆偏振测量，它可以实现多种高分辨率偏振测量。

此外，该仪器也可以测量多边形偏振。

此外，还可以使用双自由度的偏振分析仪来测量椭圆偏振光，即可以用它来测量多种偏振状态，以获得更为复杂和准确的结果。

最后，可以使用偏振控制器来控制椭圆偏振光的振幅和相位分布，以实现更精确的椭圆偏振测量。

另外，针对复杂的偏振状态，还可以使用偏振激元法、偏振场矩阵、偏振流形以及偏振增强成像等技术来进行椭圆偏振测量。

椭圆偏振技术

椭圆偏振技术目录[隐藏]1、基本原理5、优势椭圆偏振技术是一种多功能和强大的光学技术，可用以取得薄膜的介电性质（复数折射率或介电常数）。

它已被应用在许多不同的领域，从基础研究到工业应用，如半导体物理研究、微电子学和生物学。

椭圆偏振是一个很敏感的薄膜性质测量技术，且具有非破坏性和非接触之优点。

分析自样品反射之极化光的改变，椭圆偏振技术可得到膜厚比探测光本身波长更短的薄膜资讯，小至一个单原子层，甚至更小。

椭圆仪可测得复数折射率或介电函数张量，可以此获得基本的物理参数，并且这与各种样品的性质，包括形态、晶体质量、化学成分或导电性，有所关联。

它常被用来鉴定单层或多层堆叠的薄膜厚度，可量测厚度由数埃（Angstrom）或数奈米到几微米皆有极佳的准确性。

之所以命名为椭圆偏振，是因为一般大部分的极化多是椭圆的。

此技术已发展近百年，现在已有许多标准化的应用。

然而，椭圆偏振技术对于在其他学科如生物学和医学领域引起研究人员的兴趣，并带来新的挑战。

例如以此测量不稳定的液体表面和显微成像。

1 基本原理2 实验细节 2.1 实验装置 2.2 数据蒐集 2.3 数据分析 3 定义 3.1 单波长与光谱椭圆偏振技术 3.2 标准与广义椭圆偏振理论(非等向性) 3.3 琼斯矩阵与穆勒矩阵型式（去偏极化）4 进阶实验方法 4.1 椭圆偏振成像 4.2 原位椭圆偏振 4.3 椭圆偏振孔隙测定 4.4 磁光广义椭圆偏振5 优势[编辑本段]1、基本原理此技术系在测量光在反射或穿透样品时，其偏振性质的改变。

通常，椭圆偏振多在反射模式下进行。

偏振性质的改变主要是由样品的性质，如厚度、复折射率或介电性质（参见英文版Dielectric function），来决定。

虽然光学技术受制于先天绕射极限的限制，椭圆偏振却可借由相位资讯及光偏振之状态的改变，来取得埃等级的解析度。

在最简单的形式，此技术可适用于厚度小于一奈米到数微米之薄膜。

样品必须是由少数几个不连续而有明确介面、光学均匀且具等向性且非吸收光的膜层构成。

椭圆偏光仪(Ellipsometry)

橢圓偏光儀的應用
在半導體、物理、化學、材料、生物、機械、冶金和生物醫學工程中廣泛應用
半導體、光學薄膜、晶圓、金屬、介電薄膜、玻璃及有機薄膜等，另外也可應用於介電、非晶半導體、聚合物薄膜及薄膜生長過程的即時監控等量測
可以用來測量薄膜的偏振特性及色散特性，特別是可研究薄膜生長的初始階段，並用以計算分子層的厚度及密度等。在其量測的精確度及高速且非破壞性量測等特性下，無論在產業應用上或基礎學術研究上都有非常廣的應用層面
橢圓偏光儀種類
一種為歸零式的消光法(null elliposmeter)，如圖二(a)所示，利用旋轉橢圓儀中光學元件的角度使其偵測到的光訊號強度最小，再根據這些光學元件之角度計算出Δ與Ψ
一種為相位調制光度量測法(photometric ellipsometer)，如圖二(b)所示，利用相位調制技術，將其中之光學元件加入調制訊號，然後利用鎖相放大技術來處理所得之光強度，再經由傅利葉分析求得Δ與Ψ
橢圓偏光儀無法直接測量樣品的物理參數，必須藉由一模型來描述樣品的物理性質，以數值分析求得實際樣品的物理參數
因此數值分析方法亦決定橢圓偏光儀量測的準確性及應用的範圍
對比較單純的結構可以等比級數的公式計算當考慮多層膜結構時，由於各層間皆有交互作
用，無法利用級數法來求解，必須利用遞迭的方式，一層層地以電腦程式計算穿透係數及反射係數。
儀器結構
光源：為單一波長的雷射光或白光產生器附加單光儀以調變所需的波長
偏光片：光源一般為非偏極光，因此需藉一偏光片，將光源轉成線性偏極光
補償片：通常為四分之一波片，其功能在於確定入射於分析片之前的光為線性偏極光
分析片：結構同偏光片，用於分析反射光之極化現象

椭偏仪样册

样品方位调整
样品对准
软件
技术指标 ESS03VI: 370-1700 ESS03UI: 245-1700 可设置 40-90 手动调节，步距 5，重复性 0.02 PSCA（Δ在 0°或 180°附近时也具有极高的准确度）典型 0.6s / Wavelength / Point（取决于测量模式） 0.05nm (对于平面 Si 基底上 100nm 的 SiO2 膜层) 0.001 (对于平面 Si 基底上 100nm 的 SiO2 膜层) 直径 200 高度调节范围：10mm 二维俯仰调节：±4° 光学自准直显微&望远对准系统 •多语言界面切换 •预设项目供快捷操作使用 •安全的权限管理模式（管理员、操作员）
3、应用领域
ESS03 系列多入射角光谱椭偏仪尤其适合科研中的新品研发。
北京量拓科技有限公司（Ellitop Scientifc Co.,Ltd）

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文件编号：ESS03-JS-01-2012 / A / 0
ESS03 适合于很大范围的材料种类，包括对介质材料、聚合物、半导体、金属等的实时和非实时检测，光谱范围覆盖半导体的临界点，这对于测量和控制合成的半导体合金成分非常有用。并且适合于较大的膜厚范围（从次纳米量级到 10 微米左右）。
性能保证
• 高稳定性的He-Ne激光光源、先进的采样方法以及低噪声探测技术，保证了高稳定性和高准确度 • 高精度的光学自准直系统，保证了快速、高精度的样品方位对准 • 稳定的结构设计、可靠的样品方位对准，结合先进的采样技术，保证了快速、稳定测量 • 分立式的多入射角选择，可应用于复杂样品的折射率和绝对厚度的测量 • 一体化集成式的仪器结构设计，使得系统操作简单、整体稳定性提高，并节省空间 • 一键式软件设计以及丰富的物理模型库和材料数据库，方便用户使用

椭偏仪的原理和应用

椭偏仪的原理和应用一、椭偏仪的原理•椭偏仪，又称为椭圆偏光仪或椭偏仪器，是一种用于测量光的偏振状态的仪器。

•椭偏仪基于光的偏振现象，利用偏振光经过样品后改变了偏振的状态，以及这种改变与样品的性质之间的关系。

•椭偏仪通过测量光波的振幅，相位和偏振状态的变化，可以获得有关样品的物理和化学特性的信息。

1. 偏振光简介•光是一种电磁波，其电场振动方向与传播方向的关系被称为光的偏振状态。

•偏振光是指在一定条件下，光波的电场振动方向具有明显的偏好性，而不是在所有方向上均匀分布。

2. 椭偏仪的基本组成•光源：通常使用激光光源或者白光源。

•偏振元件：包括偏光片，波片等，用于生成不同偏振状态的光。

•样品室：用于放置待测样品的空间，通常具有可调节厚度和温度的功能。

•探测器：用于检测经过样品后的光的偏振状态。

3. 椭偏仪的工作原理椭偏仪的工作原理基于以下几个关键步骤： 1. 光源产生的偏振光经过偏振元件产生特定的偏振状态。

2. 经过样品后的光在偏振状态上发生变化。

3. 探测器测量样品后的光的偏振状态变化。

4. 根据测量结果，分析样品的物理和化学特性。

二、椭偏仪的应用椭偏仪在多个领域有着广泛的应用，以下列举了一些常见的应用场景：1. 生物医学研究•椭偏仪可用于生物组织和细胞的光学特性研究，例如研究细胞的偏振散射特性和蛋白质结构的变化。

•在药物研发中，椭偏仪可以用来研究药物在不同环境下的光学性质，为药物设计提供参考依据。

2. 材料科学•椭偏仪可以用来研究材料的光学特性，例如研究材料的折射率、透明度、光学吸收和散射等性质。

•在光电子学领域，椭偏仪可以用来研究材料的电子结构，包括禁带宽度、能带结构和载流子的光学特性。

3. 光学器件设计•椭偏仪可以用来研究光学器件的偏振特性，为光学器件的设计和优化提供参考依据。

•对于偏振光学器件的研究和开发，椭偏仪可以快速测量偏振度、相位差和椭圆度等参数。

4. 环境监测•椭偏仪可以用于环境监测，例如测量大气污染中颗粒物的偏振散射特性，提供空气质量监测和粒子分析的数据支持。

椭圆偏振技术

椭圆偏振技术目录[隐藏]1、基本原理5、优势椭圆偏振技术是一种多功能和强大的光学技术，可用以取得薄膜的介电性质（复数折射率或介电常数）。

它已被应用在许多不同的领域，从基础研究到工业应用，如半导体物理研究、微电子学和生物学。

椭圆偏振是一个很敏感的薄膜性质测量技术，且具有非破坏性和非接触之优点。

分析自样品反射之极化光的改变，椭圆偏振技术可得到膜厚比探测光本身波长更短的薄膜资讯，小至一个单原子层，甚至更小。

它常被用来鉴定单层或多层堆叠的薄膜厚度，可量测厚度由数埃（Angstrom）或数奈米到几微米皆有极佳的准确性。

之所以命名为椭圆偏振，是因为一般大部分的极化多是椭圆的。

此技术已发展近百年，现在已有许多标准化的应用。

然而，椭圆偏振技术对于在其他学科如生物学和医学领域引起研究人员的兴趣，并带来新的挑战。

例如以此测量不稳定的液体表面和显微成像。

通常，椭圆偏振多在反射模式下进行。

偏振性质的改变主要是由样品的性质，如厚度、复折射率或介电性质（参见英文版Dielectric function），来决定。

虽然光学技术受制于先天绕射极限的限制，椭圆偏振却可借由相位资讯及光偏振之状态的改变，来取得埃等级的解析度。

在最简单的形式，此技术可适用于厚度小于一奈米到数微米之薄膜。

样品必须是由少数几个不连续而有明确介面、光学均匀且具等向性且非吸收光的膜层构成。

椭偏仪讲义

用椭圆偏振仪测量薄膜的厚度和折射率一实验目的1、了解椭圆偏振法的基本原理;2、学会用椭圆偏振法测量纳米级薄膜的厚度和折射率.二实验仪器TPY-1型椭圆偏振测厚仪,计算机三实验原理：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。

椭圆偏振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14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。

设待测样品是均匀涂镀在衬底上的厚度为d 、折射率为n 的透明各向同性的膜层。

光的电矢量分解为两个分量，即在入射面内的p 分量及垂直于入射面的s 分量。

入射光在薄膜两个界面上会有多次的反射和折射，，总反射光束将是许多反射光束干涉的结果。

利用多光束干涉的理论，得p 分量和s 分量的总反射系数12121212exp(2)exp(2), ,1exp(2)1exp(2)p p s s p s p p s s r r i r r i R R r r i r r i δδδδ+-+-==+-+-（1）其中242cos dn πδϕλ=（2）是相邻两反射光束之间的相位差，而λ为光在真空中的波长。

光束在反射前后的偏振状态的变化可以用总反射系数比p s R R 来表征。

在椭圆偏振法中，用椭偏参量ψ和∆；来描述反射系数比，其定义为：tan exp()p s i R R ψ∆= （3）在入射波波长，入射角，环境介质和衬底的折射率确定的条件下，ψ和∆只是薄膜厚度和折射率的函数，只要测量出ψ和∆，原则上应能解出d 和n 。

然而，从上述各式中却无法解析出(,)d =ψ∆和(,)n =ψ∆的具体形式。

因此，只能先按以上各式用电子计算机计算出在入射波波长，入射角，环境介质和衬底的折射率一定的条件下(,)~(,)d n ψ∆的关系图表，待测出某一薄膜的ψ和∆后再从图表上查出相应的d 和n 的值。

椭圆偏振仪—薄膜厚度测量汇总

近代物理实验椭圆偏振仪—薄膜厚度测量本实验所用的反射式椭偏仪为通常的PCSA 结构，即偏振光学系统的顺序为起偏器（Polarizer ）→补偿器（Compensator ）→样品（Sample ）→检偏器（Analyzer ），然后对其输出进行光电探测。

一．实验原理1．反射的偏振光学理论图1 光在界面上的反射，假定21n n <，B ϕϕ<1（布儒斯特角），则rs E 有π的相位跃变，光在两种均匀、各向同性介质分界面上的反射如图1所示，单色平面波以入射角1ϕ，自折射率为1n 的介质1射到两种介质的分界面上，介质2的折射率为2n ，折射角2ϕ。

用（is ip E E ,），（rs rp E E ,），（ts tp E E ,）分别表示入射、反射、透射光电矢量的复振幅，p 表示平行入射面即纸面的偏振分量、s 表示垂直入射面即垂直纸面的偏振分量，每个分量均可以表示为模和幅角的形式)exp(||ip ip ip i E E β=，)exp(||is is is i E E β= （1a ） )exp(||rp rp rp i E E β=，)exp(||rs rs rs i E E β= （1b ） )exp(||tp tp tp i E E β=，)exp(||ts ts ts i E E β=（1c ）定义下列各自p ，s 分量的反射和透射系数：ip rp p E E r /=，is rs s E E r /=（2a ） ip tp p E E t /=，is ts s E E t /=（2b ）根据光波在界面上反射和折射的菲涅耳公式：21122112cos cos cos cos ϕϕϕϕn n n n r p +-=（3a ） 22112211cos cos cos cos ϕϕϕϕn n n n r s +-=（3b ） 211211cos cos cos 2ϕϕϕn n n t p +=（3c ） 221111cos cos cos 2ϕϕϕn n n t s +=（3d ）利用折射定律：2211sin sin ϕϕn n =（4）可以把式（3a ）-（3d ）写成另一种形式)()(2121ϕϕϕϕ+-=tg tg r p(5a) )sin()sin(2121ϕϕϕϕ+--=s r（5b ） )cos()sin(sin cos 2212121ϕϕϕϕϕϕ-+=p t（5c ）)sin(sin cos 22121ϕϕϕϕ+=s t （5d ）由于折射率可能为复数，为了分别考察反射对于光波的振幅和位相的影响，我们把p r ，s r 写成如下的复数形式：)exp(||p p p i r r δ= （6a ） )exp(||s s s i r r δ= （6b ）式中||p r 表示反射光p 分量和入射光p 分量的振幅比，p δ表示反射前后p 分量的位相变化，s 分量也有类似的含义，有ip p rp E r E = （7a ）is s rs E r E = （7b ）定义反射系数比G ：s pr r G = （8）则有: is ip rs rpE E G E E = （9）或者由式（1）式，)](exp[||||)](exp[||||is ip is ip rs rp rs rp i E E G i E E ββββ-=- （10）因为入射光的偏振状态取决于ip E 和is E 的振幅比||/||is ip E E 和位相差（is ip ββ-），同样反射光的偏振状态取决于||/||rs rp E E 和位相差（rs rp ββ-），由式（10），入射光和反射光的偏振状态通过反射系数比G 彼此关联起来。

椭圆偏振仪

椭圆偏振仪测量薄膜厚度和折射率原理：He-Ne 激光（6328Å）经起偏器产生线偏振光，再经1/4波片转化为等幅椭圆偏振光，以一定入射角φ入射到样品的表面。

调节起偏角P ，可以使反射光变成线偏振光。

此时，可以用检偏器通过消光判断出来。

反射系数比参数Ψ和Δ可以通过此时的起偏角P 和检偏角A 求出来。

而Ψ和Δ只与样品的厚度d 入射角φ、介质折射率n 1（空气）n 2（薄膜）n 3（衬底）有关，与起偏角P 无关。

因此，若已知n 1，n 3，φ，就可以通过Ψ和Δ计算出d 和n 2。

通常，已经通过计算制定好了Ψ，Δ～n ，d 的图表或者数表。

测量步骤：1．将入社筒和反射筒置于70度。

2．打开激光器电源。

将样品放置在样品台上，调节样品台是激光反射进反射筒，在观察窗看到明亮的激光。

3．将1/4波片调至45度并锁定。

4．反复交替调节起偏角P 和检偏角A ，直至消光。

读出消光点的起偏角P 1和检偏角A 1。

5．调至另外一组消光点P 2，A 2可以通过关系式 221π≈-P P 21A A -≈ 很快找到另外一组消光点。

6．计算Ψ和Δ11227．查Ψ，Δ～n ，d 的图表或者数表，求出n 和d 的值。

椭圆偏振仪的校准1．对准光轴将入射筒和反射筒置于0度，调节镜筒的方向调节螺丝使激光入射到反射筒的中央。

2．光学镜片的校准（1）将入射筒和反射筒置于0度，1/4波片和起偏器刻度盘至于0度并锁死，检偏器刻度盘置于±90度并锁死，卸下1/4波片。

（2）松开镜片固定螺钉，将起偏器镜片标志线（偏振方向）旋至竖直方向；调节检偏器波片至消光（检偏器标志线大约在水平方向）（3）装上1/4波片，调节1/4波片方向（标志线大约在竖直方向）至消光。

（4）固定所有镜片的固定螺钉。

（5）用标准样品试测厚度，检验校准的正确性。

（6）校准的关键问题：保证起偏器出来的线偏振光的偏振方向是竖直的，这样才能保证1/4波片出来的是等幅椭圆偏振光。

椭圆偏振光谱仪

薄膜测量：椭圆偏振光谱仪成为制作工业用薄膜的关键工具作者：Eric Teboul过去十年，人们对纳米薄膜属性的研究兴趣与日俱增。

将薄膜的厚度减小到100纳米以内导致了材料的光学属性和物理尺寸之间强烈的相互作用。

结合这种趋势，当前大部分研发活动将重点放在使用具有复杂光学属性的柔性聚合物材料。

一种薄膜测量技术——椭圆偏振光谱法（SE）图1.利用椭圆偏振法测量在电磁场的入射面(p或TM)和垂直面(s或TE)两个方向的反射系数的比率。

——成为度量一些透明薄膜最精确可靠的技术之一。

使用柔性衬底的原因最近，研究的重点已经转向制造柔性衬底产品，从而利用半导体、导体，以及新型合成和自组织技术生成的有机物（聚合物，低聚物）和混合物（有机—无机合成物）的发光属性。

柔性衬底具有很多优点，例如重量轻、厚度薄、耐用性好且可卷曲。

另外，采用新型精确沉淀工艺的塑料衬底使低成本、高产量的卷到卷加工成为可能，这种技术对于包装、光学镀膜、太阳能电池组件行业来说很有吸引力，在这些行业中，低成本产品和高质量透明镀膜是行业发展的驱动力。

对于在食品、饮料或制药业中广泛应用的包装来说，要求使用柔性衬底增加阻挡层来保护或控制包装物品。

这些包装材料必须尽可能薄（考虑到成本因素）而透明。

用作阻挡层的材料通常有氧化硅、铝和陶瓷。

图2.卷到卷镀膜机在聚合物网状衬底上沉积一层氧化物阻挡层。

在生产过程中，必须精确控制薄膜厚度，从而在保证薄膜属性可重复的前提下，保持产品的低成本。

由于原始数据由SE提供，其特点是测量速度很快，因而椭偏仪是在快速测量多层膜厚度和折射率过程中首选的非破坏性薄膜测量工具。

椭圆偏振光谱学椭偏数据是从一种非常常见的散射测量法中导出的。

这一光学方法目前用于测量临界尺寸，来补充使用临界尺寸扫描电子显微镜或原子力显微镜方法所缺失的信息。

由于具有分光能力，椭圆偏振法被应用于大量材料中，这些材料可用于半导体、光学镀膜、电讯、封装和纳米及生物技术中。

椭圆偏振仪的原理及其应用

椭圆偏振仪的原理及其应用1. 椭圆偏振仪的原理椭圆偏振仪是一种用于测量光的偏振特性的仪器。

它主要基于两个原理：斯托克斯矩阵和椭圆参数。

1.1 斯托克斯矩阵斯托克斯矩阵是描述光偏振状态的一种数学表示方法。

它由四个参数组成：S0、S1、S2和S3。

其中，S0表示光的总强度，S1和S2表示偏振态的强度和方向，S3表示偏振轴的旋转。

1.2 椭圆参数椭圆参数是另一种描述光偏振状态的方法。

它由两个参数组成：椭圆的短轴和长轴。

2. 椭圆偏振仪的应用椭圆偏振仪在许多领域中都有广泛的应用，下面列举了其中一些主要的应用。

2.1 光学材料表征椭圆偏振仪可以用来测量光学材料的偏振特性。

通过测量材料的斯托克斯矩阵或椭圆参数，我们可以了解材料的光学性质，例如透射率、反射率和吸收率等。

这对于研究光学材料的性能和开发新的光学器件非常重要。

2.2 光纤传感器椭圆偏振仪可以作为光纤传感器的检测器。

通过测量光纤中传输的偏振光的斯托克斯矩阵或椭圆参数的变化，我们可以监测到光纤周围环境的特性。

这可以用于温度、压力、湿度等参数的监测，也可以用于检测光纤中的损伤和故障。

2.3 生物医学领域椭圆偏振仪在生物医学领域中也有广泛的应用。

例如，它可以用于测量生物组织的偏振特性，从而帮助诊断和治疗一些疾病。

此外，椭圆偏振仪还可以用于检测药物的成分和浓度，以及研究细胞和组织的结构和功能。

2.4 光通信和光储存椭圆偏振仪可以用于光通信和光储存领域。

通过测量光纤或光器件中传输的偏振光的斯托克斯矩阵或椭圆参数，我们可以优化光信号的传输和存储效率。

这对于提高光通信和光储存系统的性能非常重要。

2.5 光谱分析椭圆偏振仪还可以用于光谱分析。

通过测量光的偏振特性，我们可以了解物质的结构和成分。

这对于化学分析、材料研究和环境监测等应用非常有意义。

3. 总结椭圆偏振仪是一种重要的光学仪器，它可以测量光的偏振特性，并应用于各种领域。

通过了解椭圆偏振仪的原理和应用，我们可以更好地理解光的性质，提高光学仪器的性能，以及开发出更多的应用。

椭圆偏振光谱仪原理

椭圆偏振光谱仪原理
椭圆偏振光谱仪的原理基于波动光学的理论。

光是一种电磁波，可以沿着不同的方向振动。

当光的振动方向固定时，称其为线偏振光。

而当光的振动方向随时间变化时，称其为圆偏振光。

椭圆偏振光是介于线偏振光和圆偏振光之间的一种特殊光。

椭圆偏振光谱仪通过将待测光与已知偏振状态的光进
行干涉，然后测量干涉光的强度和相位来确定待测光的偏振状态。

具体而言，椭圆偏振光谱仪由一个偏振器、一个样品、一个波片和一个偏振分束器组成。

待测光通过偏振器，该偏振器可以将光的振动方向限制在一个特定的方向上。

然后，通过调整波片的角度，可以改变干涉光的相对相位。

在这个过程中，椭圆偏振光谱仪会同时测量入射光和反射光的干涉光强度和相位。

接下来，椭圆偏振光谱仪将测量到的干涉光强度和相位与已知偏振状态下的理论值进行比较。

通过最小二乘法等数学方法，可以确定待测光的椭圆偏振参数，如椭圆偏振振幅、椭圆偏振相位和偏振椭圆的长短轴。

通过测量椭圆偏振参数，可以确定光的偏振状态。

例如，当椭圆偏振振幅为0时，表示光为线偏振光；当椭圆偏振振幅为1时，表示光为圆偏振光；而当椭圆偏振振幅介于0和1之间时，表示光为椭圆
偏振光。

【管理资料】椭偏法测量薄膜的厚度和折射率---闫汇编

(i p i)s(0,)
实验上如何实现？
消光检偏器
1/4波片
φ1
起偏器
线偏 • 振光自然光
光电倍增管
氦氖激光器
等幅椭偏光的获得
将E0在波片的快轴f 和慢轴 l上分解为:
快轴
S方向
S
Ef1 E0coP s(4)
Es1
sinP(
) 4
f
Ef1
E0代表经方位角为p的起偏器出射的线偏振光的振幅
通过1/4波片后，Ef将比Es超前π/2
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P128：
Rp
r1p r2pei2 1r1pr2pei2
Rs
r1s r2sei2 1r1sr2sei2
（1）
式中，r1p、r2p为界面1、2处反射光p分量的振幅反射系数，r1s、r2s为界面1、2处s分量的振幅反射系数，2δ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：
Er Erp
检偏器透光轴的取向
tan tan A,
( rp
rs
)
(2P
2
),
(rp rs ) 0或
五、实验内容与步骤
1. 首先开启主机电源，点亮氦氖激光器（预热30分钟后再测量为宜）。
2.放入待测样品，选定入射角φ（70°），调节起偏机构悬臂和检偏机构悬臂，使经样品表面反射后的激光束刚好通过检偏器入光口显示窗。
消光检偏器
1/4波片
φ1
起偏器
线偏 • 振光自然光
பைடு நூலகம்
光电倍增管
氦氖激光器
现以普通玻璃表面镀以透明单层介质膜为例作一说明。

椭圆偏振仪讲稿2

a-Si (N=3.4) Si (N=3.5)
Brewster‟s Angle
The p- and s-components reflect differently with angle. Note minimum in Rp, but not Rs. “Brewster‟s Angle.”
Reflectance of bulk SiO2, 632.8 nm
Tools: Generating Data
Demonstrate data caused by model variations: 1. Build Model in WVASE. 2. Choose ‘Range’ from Generate Data Window. 3. Press ‘Generate Data’
1200
1500
1800
Metals
• Show Ellipsometry vs. Angle, Ellipsometry vs. spectrum
Aluminum
46
Alum inum
45.0
44
P si in d e g re e s
44.0
42
P s i i n degr ees
Exp E 350nm Exp E 950nm
200
Bare Glass 55 Bare Glass 65 500nm SiO2 55 500nm SiO2 65
1000
1200
150
D in degrees
D in degrees
150 100 50
100
Wvl=270nm Wvl=670nm
55° 65° 75°
50
0

激光椭圆偏振仪实验教材

r2 p

n3 cos2 n3 cos2

n2 n2
cos3 cos3
r2 s

n2 cos2 n2 cos2

n3 cos3 n3 cos3
入射光在两个界面上有多次的反射和折射，总反射光束是许多反射光束干涉的结果。
总反射系数Rp和Rs定义为：
Rp＝Erp/Eip ， Rs=Ers/Eis
波片
...
单色自然光
d 偏振化方向
偏振光干涉人为双折射现象
偏振片M
波片
...
单色自然光
光轴
d 主截面偏振化方向
偏振光干涉人为双折射现象
偏振片M
波片 A
Ao a Ae
...
单色自然光
Ao Ae d 主截面
光轴
偏振化方向
M
A
Ao a
Ae
a
N
N
光轴 M
A e = A cos a A o= A sina
折射率n2和膜厚d的计算
直接计算
查表
查图
第一周期厚度：
当2δ=2π时， d0 2
n22 n12 sin 2 1
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 = (j -1) d0+d 另外可以采用双角度测量的方法，即改变入射角，每个入射角对应有一组d和d0值，利用两个不同入射角所测出的d和d0值交叉对比，就可以知道样品的总膜厚
从它们在p和s两个方向的投影可
得到p和s方向的电矢量分别为：
Eip

Ef
cos
4
El
cos