椭圆偏振光法测定介质薄膜的厚度和折射率 (2)

椭圆偏振光法测定介质薄膜的厚度和折射率
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姓名:陈正 学号：PB05210465 系别：6系
实验目的：
本实验的目的有以下两个：
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.
实验原理：
椭圆偏振光经薄膜系统反射后，偏振状态的变化量与薄膜的厚度和折射率有
关，因此只要测量出偏振状态的变化量，就能利用计算机程序多次逼近定出膜厚
和折射率。

参数∆描述椭圆偏振光的P 波和S 波间的相位差经薄膜系统关系后发
生的变化，ψ描述椭圆偏振光相对振幅的衰减。

有超越方程：
tan pr pi sr si E E E E ψ⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
()()pr sr pi si ββββ∆=---
为简化方程，将线偏光通过方位角±45︒的14
波片后，就以等幅椭圆偏振光出射，pi si E E =；改变起偏器方位角ϕ就能使反射光以线偏振光出射，
()0pr sr ββπ︒∆=-=或，公式化简为：
tan pr sr E E ψ=
()pi si ββ∆=--
实验仪器：
分光计、He-Ne 激光器及电源 、起偏器 、检偏器 、14
波片，待测样品、黑
色反光镜、放大镜等；
实验内容：
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和固定.
5. 起偏器读数头位置的调整与固定.
6. 4/1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 和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.
数据处理：
原始数据列表：
由分析知A,P 应满足以下条件：
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==︒=+︒=+423
14321180180A A A A A A A A ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧︒=+︒=+︒=-︒=-270270909042
314321P P P P P P P P 所以测量数据基本满足以上的条件。

将表格中数据输入“椭偏仪数据处理程序”，利用逐次逼近法，
求出与之对应的厚度d和折射率n分别为
d=419.4nm； n=1.94
样品标注的参数为：d=400.0nm； n=1.98
所以测量值与理论值之间存在一定的误差
误差分析：
实验测得的折射率理论值偏小，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波片之间不是严格的正
入射，导致测量的折射率与理论值存在偏差。

3.消光点并非完全消光，所以消光位置只能由人眼估测，所以可能引入误差。

4.调整水平度盘时采用的是目测也给实验带来一定的误差。

5.仪器的精度也限制了实验的准确性。

思考题：
（网上下载资料上的思考题）
1．4/1波片的作用是什么？
答：4/1波片使得入射的线偏振光出射后为等幅的椭圆偏振光，从而出射光的P分量
和S分量比值为1，进而使超越方程变得简单。

2．椭偏光法测量薄膜厚度的基本原理是什么？
答：基本原理是：让一束椭圆偏振光以一定的入射角射到薄膜系统的表面，经反射后，
反射光的偏振状态（振幅和相位）会发生变化，而这种变化与薄膜的厚度和折射率有关，只
要能测量出偏振状态的变化量就能定出膜厚和折射率。

3．用反射型椭偏仪测量薄膜厚度时，对样品的制备有什么要求？
答：样品应为均匀透明各向同性的薄膜系统，而且当光束入射到平行平面薄膜上时，
会产生多条反射光和透射光，形成的是多光束的干涉。

当要利用反射光线时，应要求样品是
低反射率的，从而使上下表面首次反射的光线强度基本相等。

4．为了使实验更加便于操作及测量的准确性，你认为该实验中哪些地方需要改
答：本实验是利用传统的消光法来测量，但在实验中只用眼睛去判断消光位置，这会引起较大误差，我认为可以用精度较高的光电接收器来进行判断。

（新教材上的思考题）
1， 检偏器，起偏器透光方向的零刻度是如何定位的？
答：检偏器的零刻度定位：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，将黑色反光镜置于载物台中央，使激光束按照布儒斯特角入射到黑色反光镜的表面。

根据布儒斯特定律，当入射角是布儒斯特角时，反射光将是垂直于入射面的完全线偏光，反射至望远镜筒内到达观察窗口白屏上成为一个亮点，转动整个检偏器，调整与望远镜的相对位置，使观察窗口白屏上的光点达到最暗后固定检偏器，此位置即为检偏器的零刻度；
起偏器的零刻度定位：将起偏器套在平行光管镜筒上，0゜读数朝上。

取下黑色反光镜，将望远镜系统转回原来位置，使起偏器，检偏器共轴，并使激光束通过中心，调整起偏器与镜筒的相对位置，找出最暗位置即为起偏器的零刻度位置。

2， 4/1波片的作用是什么？
答：同上1
3， 等幅椭圆偏振光是如何获得的，简述其原因？
答：置4/1波片快轴于内刻度圈的示数45︒（-45︒），此时无论起偏器转动在何位置，经4/1波片出射的光均为等幅椭圆偏振光。

因为加入了4/1波片后，振幅满足下式：
)4/(2/02
24/sin 4/cos ππππ-=-=P i i s f x e e E E E E )4/(2/0224/cos 4/sin ππππ--=
+=P i i s f y e e E E E E 由上式知x 轴、y 轴上的振幅分量都为2/20E ，所以得到的是等幅椭圆偏振光。

实验总结：
本次实验的目的基本达到，了解了椭偏仪测量薄膜参数的基本原理.也初步了解了反射型椭偏仪的使用方法，而且对实验中的可能带来误差的因素有了一定的。