椭偏法测量薄膜的厚度和折射率闫
椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率
椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率摘要：椭圆偏振测量是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射时出现的偏振变换，来研究两媒质界面或薄膜中发生的现象及其特性的一种光学方法。
结合计算机后，椭圆偏振测量具有可手动改变入射角度、实时测量、快速数据获取等优点。
关键词：椭圆偏振偏振光偏振变换一、引言二、实验原理三、实验仪器本实验使用多功能激光椭圆偏振仪，由JJY型1分光计和激光椭圆偏振装置两部分组成，仪器安装调试后如图3.1-7所示。
其各部件功能如下：图3.1-7 实验仪器光源：包括激光管和激光电源。
激光管装在激光器座上，可以作水平、高低方位角调节和上下升降调节，发射632.8nm的单色光小孔光闸：保证激光器发出的激光束垂直照射在起偏器中心。
起偏器：产生线偏振光，读数头度盘刻有360个等分线，格值为1，游标度数为0.1，随度盘同步转动，其转角可在度盘上读出。
1/4波片：将线偏振光补偿为等幅椭圆偏振光，装在起偏器前端，与起偏器共用游标。
其读数为读数头度盘内圈刻度值。
载物台：支承被测样品，其使用调节方法见分光计说明书。
光孔盘：为防止杂散光进入检偏器而附设，可自由转动，并具有读数标尺，但它的方向对实验并无影响。
检偏器：与起偏器结构相同。
望远镜筒与白屏目镜：观察反射光状态。
四、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. 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°，使反射光在白屏上形成一亮点。
8. 分别用快速法，建表法，作图法测量硅衬底的薄膜折射率，薄膜基厚度和厚度周期。
9. 改变入射角，在入射角为65°，60°时再测两次。
五、数据处理实验采用氦氖激光器波长632.8nm，硅衬底n=3.85+0.02i。
实验记录数据如表1所示。
椭圆偏振法测量薄膜厚度和折射率实验报告
椭圆偏振法测量薄膜厚度和折射率实验报告实验名称：椭圆偏振法测量薄膜厚度和折射率实验目的：利用椭圆偏振法测量薄膜的厚度和折射率，掌握椭圆偏振法的基本原理和实验操作方法。
实验原理：椭圆偏振法是一种常用的测量薄膜光学性质的方法。
当偏振光通过具有一定折射率的薄膜时，会发生透射和反射，经过反射和透射之后的光束会发生干涉现象。
当入射光是偏振光时，通过表层膜的透射光经过增偏器后变为线偏振光，其振动方向决定于表层膜的光学性质以及入射角。
通过调节增偏器的方向和旋转其角度，使得通过增偏器的振动方向与振动椭圆的长轴平行，此时称之为白光不通过表层膜，反射线偏振光与透射线偏振光的相位差为0. 形成一个相干叠加的椭圆偏振光。
根据椭圆偏振光的特性，可以通过测量椭圆偏振光的特性参数（主轴角度、椭圆离心率等）来确定薄膜的厚度和折射率。
实验装置：椭圆偏振仪、光源、待测试薄膜样品。
实验步骤：1. 启动椭圆偏振仪，调整光源使其达到合适的亮度和稳定性。
2. 将待测薄膜样品放置在椭圆偏振仪的样品台上，并通过对焦镜调整样品的焦距。
3. 调整增偏器的方向，使通过增偏器的线偏振光振动方向与椭圆的长轴平行。
4. 调整旋转台上的角度，使反射线偏振光与透射线偏振光的相位差为0，此时形成相干的椭圆偏振光。
5. 在椭圆偏振仪上的读数器上记录椭圆偏振光的主轴角度、椭圆离心率等参数。
6. 重复上述操作，测量多组数据，以提高测量准确度。
7. 根据测量得到的参数计算薄膜的厚度和折射率。
实验结果：通过测量多组数据，记录椭圆偏振光的主轴角度和椭圆离心率等参数，得到一组薄膜的厚度和折射率。
注意保留合适的有效数字。
实验讨论：1. 实验中应确保光源的稳定性和一致性，以获得准确的测量结果。
2. 实验中可以通过调整增偏器和旋转台的角度，使椭圆偏振光的参数达到最佳值，以提高测量精度。
3. 实验中应注意测量时的环境条件，避免与外部环境光的干扰。
实验结论：通过椭圆偏振法测量薄膜的厚度和折射率，可以得到薄膜的光学性质参数。
椭圆偏振法测量薄膜的厚度和折射率
( A P ) i = ( AS ) i
( AP ) r tg ψ = ( AS ) r
i[(β − β ) − (β − β ) i( β r − β i ) i Δ Pr Sr Pi Si e =e =e
−1
= tg ψ e iΔ
tanψ exp(iΔ ) = f (n2 , φ1 , n3 , d , λ )
大学物理实验讲座
椭圆参量 ψ、Δ
(E P r ) = (A ) e P r i β Pr
(E ) = ( A ) e S r S r
(E ) = ( A ) e S i S i
iβ Sr
(E ) = ( A ) e P i P i
• 对于一定的薄膜系统 Δ一定，只要改变ϕ （即改变起偏器的透光方向就改变了 β i ） 使出射光为线偏振光。（在薄膜反射光路 上放上一个检偏器，如果产生消光现象就 可以知道出射线偏振光，此线偏振光的方 位与 ψ 有关）
Δ = βr − βi
大学物理实验讲座
β
r
⎧ 0 = ⎨ ⎩π
实验仪器
• • • • • 激光器（氦氖或半导体） 分光计 黑色反光玻璃镜和薄膜样品 起偏器 检偏器
大学物理实验讲座
入射光为等幅椭圆偏振光
四分之一波片的快轴（FA）倾斜+45°时，所有角度的相对 位置下有
β i = β Pi − β Si = 2ϕ - 90
四分之一波片的快轴（FA）倾斜-45°时，所有角度的相对 位置下有 i Pi Si
β = β − β = 90 - 2ϕ
大学物理实验讲座
椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率
椭偏法测薄膜厚度和折射率摘要本实验通过椭圆偏振光法测量了氟化镁（MgF2）、氧化锆（ZrO2）及二氧化钛（TiO2）等介质薄膜的厚度和折射率，以及Cu和Al金属薄膜的厚度和消光系数。
关键词椭圆偏振光法介质薄膜金属薄膜椭偏参数复折射率消光系数一、引言椭圆偏振测量（椭偏术）是研究两媒质界面或薄膜中发生的现象及其特性的一种光学方法，其原理是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射时出现的偏振变换。
椭圆偏振测量的应用范围很广，如半导体、光学掩膜、圆晶、金属、介电薄膜、玻璃（或镀膜）、激光反射镜、大面积光学膜、有机薄膜等，也可用于介电、非晶半导体、聚合物薄膜、用于薄膜生长过程的实时监测等测量。
结合计算机后，具有可手动改变入射角度、实时测量、快速数据获取等优点。
实验原理在一光学材料上镀各向同性的单层介质膜后，光线的反射和折射在一般情况下会同时存在的。
通常，设介质层为n1、n2、n3, $ 1为入射角，那么在1、2介质交界面和2、3介质交界面会产生反射光和折射光的多光束干涉，如图（1-1）图(1-1)这里我们用2 3表示相邻两分波的相位差， 其中S =2 n dn2cos © 2/入，用rip 、r1s 表示光 线的p 分量、s 分量在界面1、2间的反射系数， 用r2p 、r2s 表示光线的p 分、s 分量在界 面2、3间的反射系数。
由多光束干涉的复振幅计算可知：的实数部分［tg 2 e i A ］的虚数部分 =的虚数部分 若能从实验测出2和△的话，原则上可以解出n2和d （n1、n3、入、$ 1已知），根据公式（4）~（9）, 推导出2和△与r1p 、r1s 、r2p 、r2s 、和3的关系：其中Eip 和Eis 分别代表入射光波电矢量的 p 分量和s 分量，Erp 和Ers 分别代表反射光波Eip 、Eis 、Erp 、Ers 四个量写成一个量G ,即:我们定义G 为反射系数比，它应为一个复数，可用 的过程量转换可由菲涅耳公式和折射公式给出：tg 2和△表示它的模和幅角。
椭偏仪测量薄膜厚度和折射率实验报告
椭偏仪测量薄膜厚度和折射率实验报告摘要：本实验利用椭偏仪仪器去测量薄膜的厚度和折射率，来反映使用者的测量结果。
实验结果表明，测量出的薄膜厚度和折射率值符合预期，经仔细分析实验结果误差解释，结果可信度得到进一步提升。
一、实验目的1、了解椭偏仪的使用及原理2、利用椭偏仪测量薄膜厚度及折射率二、基本原理椭偏仪是一种重要的折射率测量仪，它能够准确而精确地测量出光线穿过薄片时的折射率，以及光线所穿过的薄片的厚度。
椭偏仪是基于位移差原理来测量折射率的。
它采集到穿过薄膜后，光源被折射后，照射到观察板上形成一个圆形光斑，而经过椭偏仪校正器后，光斑就变成一条条短短的线条，然后将其位置与未经膜片折射的光斑位置做比较，就可以很容易地计算出折射率和厚度。
三、实验步骤1、准备实验仪器：椭偏仪仪器、薄膜。
2、调试椭偏仪：（1）检查仪器电源是否已连接；（2）检查观察系统的对焦位置是否正常；（3）在微调镜光组合上将调焦镜反转，此时光线经过校正器再照在观察系统上，就可以看见一条条短短的线条，比较其前后位置；3、将薄膜放置在光路中，调节观察台的位置，把观察台移动到朱莉可变折射率玻璃轴上；4、对准光斑，然后调节调焦镜，把观察台上的光斑放小；5、观察台上的光斑线条前后移动情况，以记录测量结果；6、得出实验结果，然后根据实验结果，计算薄膜的厚度和折射率。
四、实验结果根据实验所得数据，测得薄膜厚度为1.0μm，折射率为1.890。
（1）实验结果表明，薄膜厚度和折射率值与理论值相符合，证明椭偏仪测量结果是可信的。
（2）椭偏仪的测量结果不仅精确可靠，而且灵敏度高，数据操作简便，检测到的偏差也不大，仪器可靠性得到进一步的确立。
椭偏仪测量薄膜厚度和折射率实验报告
椭偏仪测量薄膜厚度和折射率实验报告实验目的：1.学习使用椭偏仪测量薄膜的厚度和折射率。
2.了解光线在薄膜中的传播和干涉现象。
实验仪器和材料：1.椭偏仪2.微米螺旋3.干净的玻璃片4.一块薄膜样品5.直尺6.实验台7.光源实验原理：椭偏仪是一种用于测量透明物体表面薄膜的厚度和折射率的仪器。
当光线从真空进入具有一定折射率的介质中时，会发生折射和反射。
当光线垂直入射到薄膜表面时，经过多次反射和折射后会形成干涉现象。
通过观察测量光的振幅和相位差的变化，可以推导出薄膜的厚度和折射率。
实验步骤：1.将实验台安装好，并确保椭偏仪的光源正常工作。
2.用直尺测量玻璃片和薄膜样品的尺寸，并记录下来。
3.将玻璃片放在实验台上，并将椭偏仪对准玻璃片。
4.调节椭偏仪的干涉仪臂使得产生清晰的干涉条纹。
5.使用微米螺旋逐渐调整反射镜的角度，直到条纹的清晰度达到最佳状态。
6.记录下此时的微米螺旋读数，并用直尺测量薄膜样品的厚度，得到薄膜的实际厚度。
7.调节椭偏仪的角度，使得干涉条纹平行于椭偏仪的刻度线。
8.记录下此时的椭偏仪读数，并计算出薄膜的厚度。
9.重复以上步骤2-8三次，并求取平均值。
10.使用已知的材料的折射率标定椭偏仪，并根据标定值计算出薄膜样品的折射率。
实验结果：根据实验步骤中记录的数据，计算出薄膜样品的平均厚度和折射率。
实验讨论：2.在实验中，可以尝试调节椭偏仪的角度和干涉条纹的清晰度，以获得更准确的测量结果。
3.实验中使用的薄膜样品的厚度和折射率可以进一步研究其与其他因素的关系，如温度、湿度等。
实验结论：通过使用椭偏仪测量薄膜的厚度和折射率，可以得到薄膜样品的相关参数。
实验结果表明，椭偏仪是一种能够精确测量薄膜和折射率的有效工具。
通过该实验，我们可以深入理解光的干涉现象和薄膜的光学性质。
实验二 椭偏仪测定薄膜厚度与折射率
实验一椭偏仪测定薄膜厚度与折射率一. 实验目的1、掌握获得椭偏光的原理；2、掌握椭圆偏振仪的基本结构和使用方法，理解其测量薄膜厚度和折射率的原理；3、学会通过椭圆偏振仪对测量薄膜的厚度与折射率。
二. 实验仪器激光椭偏仪EM01-PV-III，薄膜样品；三. 实验原理当一束光以一定的入射角照射到薄膜介质样品上时，光要在多层介质膜的交界面处发生多次折射和反射，在薄膜的反射方向得到的光束的振幅和位相变化情况与膜的厚度和光学常数有关。
因而可以根据反射光的特性来确定薄膜的光学特性。
若入射光是椭圆偏振光(简称椭偏光)，只要测量反射光的偏振态之变化，就可以确定出薄膜的厚度和折射率，这就是椭圆偏振仪(简称椭偏仪)测量薄膜厚度和折射率的基本原理。
1、椭偏仪的基本光路图图1所示为椭偏仪的基本光路图。
单色自然光(其电矢量均匀地分布在垂直于光束传播方向的平面上)，由氦氖激光器提供，其经过起偏器过滤为线偏振光(电矢量在一定方向上振动)，再经过1/4波片的作用变为等幅的椭圆偏振光(电矢量端点的轨迹在垂直于光束传播方向的平面上为椭圆)。
该椭圆偏振光入射到样品上，适当调节起偏器的起偏轴方向(即调节起偏角，称为P角)，则可使经样品反射后的椭偏光变为线偏光，反射的线偏光方向可由检偏器检测出，称为检偏角A角；当检偏轴与线偏振光的振动方向相垂直时便构成消光状态，这时光电倍增管的光电流最小。
图1. 椭偏仪的基本光路图对于椭偏光，可将其电场分量分解为相互垂直的两个线偏光，这两个线偏光为：振动方向与入射平面平行的线偏光以P 表示(简称P 波或者P 分量)，垂直于入射面振动的线偏光以S 表示(简称S 波或者S 分量)，如图2所示。
图2. 椭偏光的两分量，p 光：平行于入射平面，s 光：垂直于入射平面2、测量原理下面简要分析用激光椭偏仪如何根据反射光相对入射光的振幅、位相变化从而测出薄膜厚度及折射率。
图3. 光线入射多层介质的反射情况入射光经薄膜上、下分界面折射时满足折射定律：332211sin sin sin ϕϕϕn n n ==根据光学相关公式，可求出薄膜总的反射系数P R 、s R 分别为：ββj p p j p p P p p e r r e r r E E R 2212211--+==入反psp sββj s s j s s s s s er r e r r E E R 2212211--+==入反 ϕλπβcos 2n d ⎪⎭⎫⎝⎛=入入入P i P P e E E β= 反反反P i P P eE E β=入入入S i S S e E E β= 反反反S i S S eE E β=式中p r 1、s r 1代表光从1n 介质入射到2n 介质的反射系数，p r 2、s r 2代表光从2n 介质入射到3n 介质的反射系数，β代表对应的位相差。
椭偏法测介质膜厚度和折射率 实验报告
近代物理实验报告指导教师： 得分：实验时间： 2009 年 11 月 02 日， 第 十 周， 周 一 ， 第 5-8 节实验者： 班级 材料0705 学号 200767025 姓名 童凌炜同组者： 班级 材料0705 学号 200767007 姓名 车宏龙实验地点： 综合楼 408实验条件： 室内温度 ℃， 相对湿度 %， 室内气压实验题目： 椭偏法测介质膜的厚度与折射率实验仪器：（注明规格和型号） WJZ-II 型椭偏仪实验目的：1. 掌握椭偏法测量薄膜和折射率的基本原理2. 学会使用椭偏仪测量固体表面上介质薄膜的折射率和厚度实验原理简述：反射型椭偏仪的原理是：用一束椭圆偏振光作为探针照射到被测样品上，由于样品对入射光中平行于入射面的电场分量（简称P 分量）和垂直与入射面的电场分量（简称S 分量）有不同的反射系数、透射系数，因此从样品上出射的光，其偏振状态相对于入射光来说要发生变化1. 光波在介质分界面反射和透射的电磁波理论光入射到两种均匀、各向同性的介质分界面上时，要发生反射和折射，如图（5-3-1）。
反射角与入射角相等，折射角与入射角以及折射率的关系是：2211sin sin ϕϕn n = 或1212222sin cos ϕϕn n n -=另外，根据麦克斯韦方程组和界面条件，可以得到菲涅耳公式：⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧+=-+=+--=+-=)sin(cos sin 2)cos()sin(cos sin 2)sin()sin()tan()tan(211221211221212121ϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕsp s p t t r r2. 反射系数比G定义反射系数比)](exp[||||s p s p sp i r r r r G δδ-==而通常G 往往被写成如下形式：)exp(tan ∆⋅=i G ψ 其中 ||tan sp r r =ψ sp δδ-=∆根据前式，可以得到21122112]tan )11(1[sin ϕϕ⋅+-+⋅⋅=GG n n 从式中可以看出， 如果n1是已知的， 那么在一个固定的入射角φ1下测定反射系数比G ， 则可以去顶介质2的折射率n2.3. 光波在介质薄膜上反射和透射的电磁波理论——椭圆偏振光测量单层薄膜光学系统如图（5-3-2）所示为“三介质二界面”模型，我们假定：3.1薄膜两侧的介质是半无解大的，折射率分别为1n 和3n3.2薄膜折射率为2n ，它与两侧介质之间的界面1和界面2平行，并且都是理想的光滑斜面 3.3 三种介质都是均匀的各向同性的根据以上条件假设和图中的几何关系， 可以得到：δδδδψ2231222312223122231211tan i s s i s s i p p i p p s pi e r r e r r e r r e r r R R e G ----∇++⋅++==⋅=其中⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧===+-=+-=+-=+-=332211223322332223221122111232233223232112211212sin sin sin /cos 42)cos cos /()cos cos ()cos cos /()cos cos ()cos cos /()cos cos ()cos cos /()cos cos (ϕϕϕλϕπδϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕn n n dn n n n n r n n n n r n n n n r n n n n r s s p p4. 光在金属表面反射的电磁理论——金属复折射率的测量金属对光具有吸收性，因此金属的折射率为复数，可以分解为实部和虚部，即iNK N n -=2经过近似计算，可以得出⎪⎩⎪⎨⎧∆⋅=∆⋅+⋅⋅⋅=sin 2tan cos 2sin 12cos tan sin 111ψψψϕϕK n N5. 用椭偏法测量反射系数比反射系数比G 的测量归结为两个椭偏角ψ、∆的测量。
3.1 椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率
实验3.1 椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率一、引言椭圆偏振测量法，简称椭偏光法，是测量研究介质表面界面或薄膜光学特性的一种重要光学方法。
它是将一束偏振光非垂直地投射到被测样品表面，由观察反射光或透射光的偏振状态的变化来推知样品的光学特性，例如薄膜的厚度，材料的复折射率等。
这种测量方法的优点是测量精度非常高，而且对样品是非破坏性的，它可以测量出薄膜厚度约0.1 nm的变化。
因此。
可以用于表面界面的研究，也可用于准单原子层开始的薄膜生长过程的实时自动监测。
椭偏光法的应用范围广泛，自然界中普遍存在着各种各样的界面和薄膜，人工制备薄膜的种类也越来越多，因此椭偏光法应用于物理、化学、表面科学、材料科学、生物科学以及有关光学、微电子、机械、冶金和生物医学等领域中。
在材料科学中椭偏测量常用来测量各种功能介质薄膜、硅上超薄氧化层以及超薄异质层生长的实时监控、溅射刻蚀过程的实时监控等。
自1945年罗中(A. Rothen)描述了用以测量薄膜表面光学性质的椭偏仪以来，随着科学技术的迅速发展，椭偏光法发展很快，椭偏仪的制造水平也不断提高，特别是使用计算机处理复杂繁冗的椭偏测量数据后使测量快捷简便了许多。
二、实验目的1. 了解椭偏光测量原理和实验方法。
2. 熟悉椭偏仪器的结构和调试方法。
3. 测量介质薄膜样品的厚度和折射率，以及硅的消光系数和复折射率。
三、实验原理本实验介绍反射型椭偏光测量方法。
其基本原理是用一束椭偏光照射到薄膜样品上，光在介质膜的交界面发生多次的反射和折射，反射光的振幅和位相将发生变化，这些变化与薄膜的厚度和光学参数（折射率、消光系数等）有关，因此，只要测出反射偏振状态的变化，就可以推出膜厚和折射率等。
1. 椭圆偏振方程图1所示为均匀、各向同性的薄膜系统，它有两个平行的界面。
介质1通常是折射率为n 1的空气，介质2是一层厚度为d 的复折射率为n 2的薄膜，均匀地附在复折射率为n 3的衬底材料上。
φ1为光的入射角，φ2和φ3分别为薄膜中和衬底中的折射角。
椭偏仪测量薄膜厚度和折射率实验
R A = tg−1 S = ψ
R P
因此，利用检偏器的方位角 A 便可确定ψ。 具体分析如下： 为方便起见，假定 A 角的取值在Ⅰ、Ⅳ象限。
（5-19-10）
1、 β' − β' = 0
S
P
4
使上式成立的 P 角记为 P1，如图 5-19-3 所示，合成线偏振光 E‘位于 XOY 右手坐标系的Ⅱ、 Ⅳ象限，所以 A 在第Ⅰ象限，记为 A1。即
[预习提要]
（1）、椭偏仪的结构和使用方法是怎样的？ （2）、椭偏仪的基本原理是什么？ （3）、椭偏仪的用途和特点是什么？
[实验要求]
（1）、进一步掌握椭偏仪的基本原理。 （2）、熟悉椭偏仪的结构和操作方法。 （3）、掌握处理实验数据的查表方法。
[实验目的]
（1）测量玻璃基底上的薄膜的厚度和折射率。 （2）测量金属的复折射率。
β' S
− β' P
=
π 0
(5-19-8)
所以，转动起偏器总可以找到某个方向角，使反射光成为线偏振光，即当
∆
=
2P 2P
− +
π 2 π 2
（5-19-9）
时，起偏器转到 P 方位角时，可使经过样品的反射光成为线偏振光，因此由起偏器的方位角 P 便可确 定Δ，至于经样品反射后的线偏振光的方向是由（5-19-6）式确定的。利用检偏器，转动其方位，当 检偏器方位角 A 与反射线偏振光振动方向垂直时，光束不能通过，出现消光，此时
检偏器度盘刻线及读数方式与λ/4 波片度盘相同。
7
98
97
0000 0
96
5
10
95
94
（a）
47
【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。
椭偏法测介质膜厚度和折射率实验报告
椭偏法测介质膜厚度和折射率实验报告1实偏法实介实膜的厚度折射率与近代物理实实实告指实实,教得分,实实实实, 2009 年 11 月 02 日～第十周～周一～第 5-8 实实实者, 班实材料 0705 学号 200767025 姓名童凌实同实者, 班实材料0705 学号 200767007 姓名实宏实实实地点, 实合楼 408 实实件, 室度条内温 ?～相实度湿 %～室实内气实实实目, 实偏法实介实膜的厚度折射率与实实实器,;注明实格和型,号WJZ-II型实偏实实实目的,1.掌握实偏法实量薄膜和折射率的基本原理2.学会体使用实偏实实量固表面上介实薄膜的折射率和厚度实实原理实述,反射型实偏实的原理是,用一束实实偏振光作实探实照射到被实实品上～由于实品实入射光中平行于入射面的实实分量;实称P分量,和垂直入射面的实实分量;实与称S分量,有不同的反射系、透射系～因此实品上出射数数从的光～其偏振实相实于入射光实要实生实化状来1.光波在介实分界面反射和透射的实磁波理实光入射到实均、各向同性的介实分界面上实～要实两匀生反射和折射～如实;5-3-1,。
反射角入射角相等与～折射角入射角以及折射率的实系是,与或另麦条外～根据克斯实方程实和界面件～可以得到菲涅耳公式,2.反射系比数G定实反射系比数而通常G往往被成如下形式, 其中写根据前式～可以得到从式中可以看出～如果n1是已知的～那实在一固个定的入射角φ1下实定反射系比数G～实可以去实介实2的折射率n2.3.光波在介实薄膜上反射和透射的实磁波理实实实偏振光实量实实薄膜光系实——学如实;5-3-2,所示实“三介实二界面”模型～我实假定,3.1薄膜实的介实是半无解大的～折射率分实实和两3.2薄膜折射率实～实介实之实的界面它与两1和界面2平行～且都是理想的光滑斜面并2实偏法实介实膜的厚度折射率与3.3 三实介实都是均的各向同性的匀根据以上件假实和实中的何实系～可以得到,条几其中4.光在金表面反射的实磁理实金实折射率的实量属——属金实光具有吸收性～因此金的折射率实实～可以分解实实部和部～属属数虚即实实近似实算～可以得出5.用实偏法实量反射系比数反射系比数G的实量实实实实偏角、的实量。
椭偏法测量薄膜的厚度和折射率闫课件
薄膜样品
• 薄膜样品：需要被测量的薄膜，要求薄膜具有平坦、无瑕疵等特性。
探测器和测量系统
探测器
$item1_c用于接收和测量经过薄膜样品后的光信号。
测量系统
用于接收和测量经过薄膜样品后的光信号。
03
椭偏法测量薄膜的实验步骤
样品的准备和安装
选取具有高质量、单层且均匀的薄膜样品，确保表面无污染和缺陷。
在生物医学研究中，椭偏法 还可以用于研究生物样本的 光学性质和物理性质，如光 吸收、光散射、光致发光等 。
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THANKS
薄膜表面的污染物质会改变薄膜的光学性质，从而影响 椭偏测量的结果。例如，表面污染可能会改变薄膜的折 射率，从而影响光的偏振状态。
05
椭偏法测量薄膜的优缺点及改进方 向
优点
非侵入性
01
椭偏法是一种非破坏性的测量技术，不需要接触薄膜
表面，不会对样品造成损伤。
高精度
02 椭偏法可以测量薄膜的厚度和折射率，精度较高，能
对环境要求高
椭偏法需要在干净、稳定的实验环境中进行 ，对于一些环境条件较差的实验室，可能难 以保证测量的精度和稳定性。
改进方向
发展自动化技术
为了提高椭偏法的测量效率和精 度，可以发展自动化技术，如自 动调整样品位置、自动控制实验
条件等。
加强数据处理能力
加强数据处理能力，提高数据处理 速度和精度，是椭偏法未来的一个 重要发展方向。
要点二
偏振状态
入射光的偏振状态也会影响椭偏测量的结果。当光经过薄 膜时，光的偏振状态会发生改变，这种改变的程度与薄膜 的厚度和折射率有关。
薄膜的粗糙度和表面污染
粗糙度
薄膜的表面粗糙度会影响光的散射和反射，从而影响椭 偏测量的结果。表面粗糙度越大，光散射和反射的程度 就越大，这会影响光的偏振状态。
椭偏光法测薄膜的折射率和厚度-10页word资料
实验五 椭偏光法测薄膜的折射率和厚度一、引言椭圆偏振测量术简称椭偏术。
它是利用光的偏振性质，将一椭圆偏振光射到被测样品表面，观测反射光偏振状态的变化来推知样品的光学常数。
就其理论范畴来讲，它与十涉法一样，都是利用光的波动性，以经典物理学为基础。
这种测量方法的原理早在上个世纪就提出来了，距今已有近百年的历史。
由于光波通过偏振器件及样品反射时，光波偏振状态变化得异常灵敏，使得椭偏术的理论精度之高是干涉法不能比拟的，又由于这种测理是非破坏性的，因此它的优越性是显而易见的。
长期以来，人们一直力图将这种测量方法付诸应用。
早在40年代就有人提出实验装置，但由于计算上的困难一直得不到发展。
电子计算机及激光技术的广泛应用，为椭偏术的实际应用及迅猛发展创造了条件。
今天椭偏术已成为测量技术的一个重要的分支。
椭偏术有很多优点，主要是测量灵敏、精度高，测量范围从1oA 到几个微米而且是非接触测量。
国外生产的高精度自动椭偏仪能测量正在生长的薄膜小于l o A 的厚度变化，可检测百分之儿的单分子层厚度，深入到原子数量级。
因此既可将其应用于精密分析测量，也可以用于表面研究，用于自动监控及分析液、固分界面的变化。
目前椭偏术已应用到电子工业，光学工业，金属材料工业，化学工业，表面科学和生物医学等领域。
在我们的实验中，使用消光椭偏仪测量薄膜的折射率和厚度。
除了能学习到其测量方法外，其巧妙的设计思想也将给我们极人的启发和收益。
二、椭偏术原理1．椭偏术基本方程椭圆偏振光入射到透明介质薄膜时，光在两个分界面(空气与薄膜，薄膜与衬底)来同反射和折射，如图5．1所示。
总反射光由多光束干涉而成，光在两个分界面的P 波和S 波的反射系数分别为1122p s p s r r r r 、、、图 5—1由菲涅尔公式有：以上各式中1n 为空气折射率，2n 为膜层的折射率，3n 为衬底折射率。
1ϕ为入射角，2ϕ，3ϕ分别为光波在薄膜和衬底的折射角。
它们满足折射定律： 总反射系数P R 、S R 分别为：21221221221211i p p P i p p i s s S i s s r r e R r r e r r e R r r e δδδδ----⎧+=⎪+⎪⎨+⎪=⎪+⎩（5-1）其中1222222211442cos (sin )dn d n n ππδϕϕλλ==- 引入反射系数比，定义：/i P S tg e R R ψ∆= （5-2）这就是椭偏术基本方程。
椭偏光法测量薄膜的折射率和厚度
• 引言 • 椭偏光法的基本原理 • 椭偏光法测量薄膜的折射率 • 椭偏光法测量薄膜的厚度 • 实验结果与分析 • 结论与展望
01
引言
椭偏光法的简介
椭偏光法是一种光学测量技术，通过 测量光在薄膜表面反射后的偏振状态 变化，可以推导出薄膜的折射率、消 光系数和厚度等物理参数。
06
结论与展望
椭偏光法测量薄膜ห้องสมุดไป่ตู้优缺点
精度高
椭偏光法能够以高精度测量薄膜的折射 率和厚度，误差范围通常在纳米级别。
VS
非侵入性
椭偏光法不需要直接接触样品，不会对薄 膜造成损伤或污染。
椭偏光法测量薄膜的优缺点
• 适用范围广：椭偏光法适用于各种类型的薄膜材料，包括 光学薄膜、金属薄膜、半导体薄膜等。
电场矢量在垂直于传播方向的平面上 振动，其振幅和方向随时间变化，形 成椭圆轨迹。
椭偏光在传播过程中，其偏振状态会 受到周围介质的影响，如折射、反射 和散射等。
椭偏光的形成
当自然光通过特定波片时，波片内的 晶体对光波产生双折射效应，导致光 波的偏振状态发生变化，形成椭偏光。
薄膜对椭偏光的影响
01
反射和透射
如入射角、波长等实验参数的选择也会影响测量结果。
厚度测量的精度与误差分析
01
02
03
04
1. 选择稳定的光源和性 能良好的光学元件。
2. 对薄膜表面进行抛光 或清洁，减小表面粗糙 度。
3. 优化实验参数，如选 择合适的入射角和波长。
4. 进行多次测量并取平 均值，以减小随机误差 的影响。
05
实验结果与分析
当椭偏光照射到薄膜表面时，部分光波被反射，部分光波穿透薄膜并继
椭偏仪测量薄膜厚度和折射率.doc
椭偏仪测量薄膜厚度和折射率【引言】椭圆偏振测量（椭偏术）是研究两媒质界面或薄膜中发生的现象及其特性的一种光学方法，其原理是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射时出现的偏振变换。
椭圆偏振测量的应用范围很广，如半导体、光学掩膜、圆晶、金属、介电薄膜、玻璃(或镀膜)、激光反射镜、大面积光学膜、有机薄膜等，也可用于介电、非晶半导体、聚合物薄膜、用于薄膜生长过程的实时监测等测量。
结合计算机后，具有可手动改变入射角度、实时测量、快速数据获取等优点。
【实验目的】掌握椭偏仪的原理与操作方法；学会利用椭偏仪进行相关物理量的测量。
【实验仪器】椭偏仪、待测样品、电脑WJZ－II椭偏仪结构如图1所示：1、半导体激光器2、平行光管3、起偏器读数头（与6可换用）4、1/4波片读数头5、氧化锆标准样板6、检偏器读数头7、望远镜筒8、半反目镜9、光电探头10、信号线11、分光计12、数字式检流计图 1半导体激光器出厂时已调好，应满足以下二点：（1）激光光斑在距激光器约45cm处最小，如发现偏离较远，可将激光器从其座中取出，调节其前端的会聚透镜即可。
（2） 激光与平行光管共轴，如发现已破坏，请按第8页“光路调整”中所述方法进行调整，一旦调好，轻易不要将其破坏。
主要技术性能及规格1. 测量透明薄膜厚度范围0－300nm ，折射率1.30－2.49。
2. 起偏器、检偏器、1/4波片刻度范围0°-360°，游标读数0.1°。
3. 测量精度：±2nm 。
4. 入射角ψ1＝70°，K9玻璃折射率n ＝1.515。
5. 消光系数：0，空气折射率1。
6. *JGQ －250氦氖激光器波长λ＝632.8nm （用软件处理数据时，该波长值已 内嵌，无须输入）。
*半导体激光器波长λ＝635nm （用软件处理数据时，该波长值未内嵌，须输入，并需重新设臵消光系数“0”）7. 椭圆偏振仪的简介：随着科学和技术的快速发展，椭偏仪的光路调节和测量数据的处理越来越完善快捷。
实验椭圆偏振法测量薄膜厚度和折射率
实验椭圆偏振法测量薄膜厚度和折射率椭圆偏振法是一种常用的非破坏性薄膜厚度和折射率测量方法，它可以通过对样品反射和透射光的偏振状态进行测量，来获得样品的光学特性参数。
下面我们将介绍实验椭圆偏振法的测量步骤和注意事项。
1. 实验原理当一束偏振光碰到被测薄膜表面时，反射的光和透射的光都会发生偏振，其偏振状态可以通过椭圆偏振仪来测量。
通过测量样品反射和透射光的偏振椭圆参数，可以计算出薄膜厚度和折射率等光学参数。
2. 实验步骤(1) 样品制备准备一片光学平整的样品，涂上一层薄膜。
需要保证样品表面光洁度良好，无明显缺陷和表面过度粗糙。
(2) 调整椭圆偏振仪首先需要进行仪器校准，保证椭圆偏振仪能够正常工作。
然后，将样品放置在椭圆偏振仪的样品台上，调整偏振仪的角度、波长等参数，使样品的反射和透射光能够被完全接收和测量。
(3) 测量反射光打开椭圆偏振仪的偏振片，使入射光为线偏振光，然后测量样品反射光的偏振椭圆参数。
一般需要测量三个不同角度和波长条件下的参数，以保证数据的准确性。
(5) 数据处理通过测量数据，可以得到样品的反射和透射光的偏振椭圆参数。
根据计算公式，可以计算出样品的折射率和厚度等光学参数。
需要注意的是，测量过程中需保持仪器稳定，以免数据误差。
3. 注意事项(1) 样品表面应该光洁度良好，无缺陷和过度粗糙。
(2) 测量前需要进行椭圆偏振仪的校准，保证仪器能够正常工作。
(4) 测量过程中需要保持仪器稳定，以免数据误差。
(5) 需要注意心理学处理的方法和如何保留数据以及整合数据，以便之后的进一步研究和分析。
总结：实验椭圆偏振法是一种非常实用的分析方法，能够快速准确地测量薄膜的厚度和折射率等光学参数。
在实验过程中需要注意样品表面光洁度、仪器稳定等因素，以保证数据的准确性。
此外，数据分析也是实验的重要部分，需要采用合适的处理方法和工具，以得出正确的结论和结论。
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| eirp | eiip
Rs
| Ers | Eis
| eirs | eiis
G tg ei Rp
Rs
| E | | E | e rp
is i[(rp rs )(ip is )]
| Ers | | Eip |
tg | Erp | | Eis | 反射前后p,s两分量 | Ers | | Eip | 的振幅衰减比
3.调整起偏器和检偏器的角度，直至出现两次消光， 测出检偏器后消光时起、检偏器方位角(P1,A1)和 (P2,A2)；
4. 将两组（P，A）换算，求平均值； 5. 将（P，A）输入电脑程序界面，求得折射率n 和膜厚d . 6. 重复上述测量步骤，测量多个样品的折射率和 膜厚，录入表格。
椭偏方程 ψ和Δ称为椭偏参数
式中，ψ和Δ称为椭偏参数并具有角度量值， 是n1、n2、n3、 1、λ及d的函数；由于n1、n3、 和λ、1、为 已知量，只要利用实验测出ψ和Δ，并 利用计算机作数值计算，即可得到薄膜折射率n2 和厚度d。
ψ和Δ的如何测量？
把Rp与Rs复振幅写成模和幅角形式：
Rp
| Erp | Eip
(rp rs) (ip is) 两分量的相移差
为使测量更加简便，在椭偏测量中要 求入射光和反射光满足两个条件：
（1）入射光为p,s分量的振幅相等的椭偏光，
此时： | Eip || Eis |
tg | Erp |
| Ers |
ψ仅与反射光p,s分量的振幅比有关
（2）反射光为线偏振光，此时：rp rs 0,
Eis Ey
2 2
E0
exp
i( 34
P) .
(ip
is
)
2P
2
.
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
反射光为线偏振光的检测－消光法
x
t A
E rs y
A
检偏器的透光轴t’与合成的反 射线偏振光束的电矢量 Er垂 直时,反射光在检偏器后消光：
Erp tan A Ers
2
n2d
cos 2
2
d
n2 2 n12 sin 2 1
式中，1、2 分别为光在薄膜上、下表面的入射角。
在椭偏测量中测量的是Rp与Rs之比，即G：
G
Rp Rs
用tgψ和Δ分别表示G的模和幅角，则：
G tg ei
Rp Rs
r1p r2 pei2
1
r1
p
r2
ei2
p
1 r1sr2sei2 r1s r2sei2
(ip is) (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
E
f1
E0
cos(P
) 4
Es1
sin(P
) 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
思考题与讨论题
1. 写出椭偏方程及各参数的物理意义？ 2. 1/4波片的作用是什么？ 3. 入射光为什么为等幅偏振光，实验中如何获得？ 4. 反射光为什么为线偏振光，实验中如何获得？
复习思考题： 1）简述椭偏法的测量原理，各主要光学部件的 作用是什么？ 2）简述椭偏仪测量薄膜厚度的实验步骤。
三、实验仪器
SGC-1型椭圆偏振测厚仪，如图 所示。
四、实验原理
使一束自然光经起偏器变成线偏振光，再经1/4波片， 使它变成等幅椭圆偏振光，入射到待测的膜面上。反 射时光的偏振态将发生变化。对于一定的样品，总可 以找到起偏方位角P，使反射光由椭圆偏振光变成线 偏振光。于是转动检偏器，在其相应的方位角A下得 到消光状态。
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。
近代物理实验
椭偏仪测量薄膜厚 度和折射率
上海师范大学 数理学院 闫爱民
内容提要
一、背景介绍 二、实验目的 三、实验仪器 四、实验原理 五、实验内容与步骤 六、思考题与讨论题
一、 背 景 介 绍
1、薄膜的分类：透明介质膜和金属膜。 2、薄膜的光学与几何特征参数为n，d 。
n为薄膜复折射率, n＝N-ik 透明介质膜，无吸收(k=0)，其折射率为实数。 d为薄膜的厚度。 3、常见测定薄膜光学参数的方法：布儒斯特角法， 干涉法、称重法、X射线法、电容法、椭偏法等。
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
现以普通玻璃表面镀以透明单层介质膜为例 作一说明。
椭偏光
k0 k1 k2 k3
PP
。
。
s
s
φ1
d
φ2
φ3
n1 n2 界面1
界面2 n3
光在单层介质膜表面的反射与折射
如图所示，当一束光入射到单层介质膜面上 时，在界面1和2上形成多次反射和折射，且 各反射光和折射光分别产生多光束干涉。其 干涉结果反映了薄膜的光学特性。
椭圆偏振法是利用被测样品表面对椭偏光的反 射特性来测量样品的光学常数。
是一种先进的测量薄膜纳米级厚度的方法。 4、椭偏法测量的优点：精度高，灵敏度高，无 破坏 性等。在光学、半导体学、生物学、医学等诸多领域 已得到广泛应用。
二、实验目的
✓了解椭偏光法测量原理和实验方法。 ✓熟悉椭偏仪器的结构和调试方法。 ✓测量介质薄膜样品的厚度和折射率。
通过1/4波片后，Ef将比Es超前π/2
E0入射光 E0
P
Ef2
E0
cos(P
) exp(i )
4
2
Es
P方向
P
4
E s1
慢轴 l
1/4 波片快轴的取向
把这两个分量分别在s 轴及p轴上投影并再合成为Es和 Ep ，便得到
Eip Ex
2 2
E0
exp
i(P
4
)
,
| Eip | 1 | Eis |
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 r2 pei2
1
r1
p
r2
ei2
p
Rs
r1s r2sei2 1 r1sr2sei2
（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：