实验指导书5-单波长椭偏法测薄膜厚度与折射率

实验五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

实验指导书-单波长椭偏法测试分析薄膜的厚度与折射率

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