椭偏仪测折射率和薄膜厚度

物理实验报告

实验名称：椭偏仪测折射率和薄膜厚度

学院：xx 学院专业班级：xxx

学号：xxx 学生姓名：xxx

实验成绩

预习题（一空一分，共10 分）

1.（单选题）起偏器和检偏器的刻度范围为多少？（B）

A.0 ° ~180°

B.0 ° ~360°

2.（单选题）黑色反光镜在仪器调整中起什么作用？

实验预习题成绩：

（B）

A. 确定起偏器的方位

B. 确定检偏器的方位

C.确定波片的方位

3.（单选题）在椭偏仪实验中坐标系是选在待测薄膜的（B）上。

A 入射面

B 表面

4.（单选题）椭偏仪的数据处理方法有三种，即查图法、查表

法、迭代法解非线性超越方程，本实验中使用（B）

A 查图法

B 查表法

5.（填空题））调整椭偏仪光路的步骤是，首先使激光光线与分光计仪器主轴垂直，并通过载物台中心，然后确定（C）的0 刻度位置，这要利用（A）的布鲁斯特角特性，然后再确定（B）0 刻度位置，最后调整1/4 波片，使其快轴与（C）成± 45° 选择答案： A 黑色反光镜 B 检偏器 C 起偏器

6.（填空题）将起偏器套在平行光管上，使0°位置朝上，从载物台上取下黑色反射镜，将检偏器管转到共轴位置，整体调节起偏器使检流计（A），固定起偏器螺钉。此时起偏器与检偏器通光方向（C）。选择答案： A 光强最小 B 光强最大 C 平行 D 垂直

原始数据记录

成绩：

1/4 玻片起偏器角度检偏器角度+45°（＞ 90°）103.4 91.7

+45°（＜ 90°）21.2 51.6

-45 °（＞ 90°）106.5 98.6

-45 °（＜ 90°）21.2 51.6

薄膜厚度： 110.0000

折射率： 1.4800

一、实验名称

椭偏仪测折射率和薄膜厚度

二、实验目的

1、了解椭偏仪测量薄膜参数的原理；

2、初步掌握反射型椭偏仪的使用方法。

三、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。

四、实验原理

1.椭圆偏振光：椭圆偏振光可以看成是由两个互相垂直振动(x 和 y

分量)具有固定位相差的偏振光迭加而成的。用矢量公式表示为：

即：

其中 A1、 A2为 x 和 y 分量的振幅，α 1和α2 为

x 和 y 分量

的初位相，ω为光的频率。利用(2) 的两个公式消去时间 t

就可以

得到光矢量运动的轨迹方程式，如图 1 示。

当δ =0或±π时，合成为线偏振光，当δ =±π /2 时，合成为正椭圆偏振光，（A1=A2时为圆偏振光），当δ在（ - π，+π）之间时合成为任意方位的椭圆偏振光，方位角θ （见图示）满足以下公式：

可见当 A1=A2，但δ不等于π /2 时方位角θ总等于±π /4 ，此时椭圆偏振光的长短轴比与并仅与δ有关。此时椭圆偏振光叫做等幅椭圆偏振光。

2.菲涅尔公式：在光传播的过程中如果遇到两种介质界面时就会发生反射和折射，反射光和折射光的振幅和位相就会发生变化，这些变化可以用菲涅尔公式进行计算。

3.斯托克斯倒逆关系：利用斯托克斯倒逆关系可以得到反射率和折射率的简洁关系，所以在这里列出其公式：

4.光在双层界面薄膜系统上的反射规律：当一束任意偏振态的单色光射入薄膜系统，在两个界面上发生多重反射和折射。利用菲涅尔公式以及斯托克斯倒逆关系可以求得 0 、1、2、3、4、 ... 各光束的复振幅如下表所列（设入射光的复振幅为 Ei）：

5.椭偏仪结构图及测量原理

6.数据处理方法：绘图法：

1）根据理论公式计算（n2，d –ψc，Δc）制成等折射率和等厚度表文件。

2）根据输入的制图条件，绘出等厚度和等折射率曲线，通过设置作图的坐标

实现局部放大和缩小。

利用将测量的（ψ m，Δm）值与图中（ψc，Δc）（理论曲线与实验值相交或很接近）逐步逼近的方法得到

（ψc，Δ c）所对应的 n2 ，d

五、实验步骤

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。

4、检偏器读数头位置的调整与固定。

5、起偏器读数头位置的调整与固定。

6、1/4 波片零位的调整

7、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° , 并使反射光在白屏上形

成一亮点

8、为了尽量减小系统误差，采用四点测量。

9、将相关数据输入“椭偏仪数据处理程序” ，经过范

围确定后 , 可以利用逐次逼近法，求出与之对应的

d与 n;由于仪器本身的精度的限制 , 可将 d的误

差控制在 1埃左右 ,n 的误差控制在 0.01 左右。

六、实验内容

1.熟悉并掌握椭偏仪的调整

2.调整光路，并使入射到样品的光为等幅椭圆偏振光

3.测量样品的折射率和厚度：(1) 选择测试样品最佳入射角 (2) 测量角度。

4.计算样品的折射率和厚度的数据处理方法

七、数据处理

薄膜厚度： 110.0000

折射率： 1.4800

八、误差分析

实验测得的折射率比理论值偏大，厚度比理论值偏小，

其可能

原因有：

1、待测介质薄膜表面有手印等杂质，影响了其折射率。

2、在开始的光路调整时，没有使二者严格共轴 , 造成

激光与偏

振片、1/4 波片之间不就是严格的正入射，导致测量

的折射率与理论值存在偏差。