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

实验预习题成绩：

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？（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：

薄膜厚度： 110.0000

折射率： 1.4800

实验报告正文成绩：

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，α1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(ψm，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，Δc)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。

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、由于实验中需多次转动及调节、安装仪器，会破坏仪器的共

轴特性。虽经多次调节，但还就是会产生误差。

5、实验中肉眼观察导致误差，在系统拟合中出现误差。

九、注意事项

1、在实验之前,先检查各元器件是否齐全完好，并且区分望远

镜、平行光管、起偏器和检偏器;

2、在分光计的调节过程中，在望远系统的调节前注意在内侧

装上会聚透镜;

3、在测量之前应保证起偏器的内外盘读数头均处于零度,检偏

器的外盘读数头处于90°。在读数头的调节中应轻轻转动

整个读数头而保持盘上的读数不变，注意1/4波片的放置及

调整;

4、刚开始测量时检流计应打到最大档, 在测量过程中根据实际

情况从大到小调节量程。衰减旋钮顺时针旋转至不可再旋时,

检流计上的示数为标准电流;

5、分别使检偏器外盘读数大于和小于90°，在此基础上分别转

动起偏器的外盘到检流计示数最小。

十、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)