椭偏光谱测量及研究进展

1、椭偏光谱测量及研究进展椭偏光谱测量及研究进展 周周 明明学术沙龙系列之：学术沙龙系列之： 目目 录录o 光的偏振及其应用光的偏振及其应用o 椭偏光谱学简介椭偏光谱学简介o 固体材料光学性质与光学常数关系固体材料光学性质与光学常数关系o 可见可见-近红外偏振手段应用以及数据处理近红外偏振手段应用以及数据处理o 椭偏光谱研究进展椭偏光谱研究进展光的偏振及其应用光的偏振及其应用o 太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度都相且沿着各个方向振动的光波的强度都相同

2、这种光叫做同这种光叫做自然光自然光 . .光的偏振及其应用光的偏振及其应用在光波里，可引起人的视觉的是在光波里，可引起人的视觉的是 e 矢量（光矢矢量（光矢量）。量）。v0he光矢量光矢量振动面振动面 通常看到的绝大多数光通常看到的绝大多数光-偏振光偏振光光的偏振及其应用光的偏振及其应用偏光镜头偏光镜头汽车车灯汽车车灯立体电影立体电影光的偏振及其应用光的偏振及其应用o 液晶显示液晶显示(lcd)是一个由上下两片导电玻制成的液晶是一个由上下两片导电玻制成的液晶盒，盒内充有液晶，四周用密封材料盒，盒内充有液晶，四周用密封材料胶框密封，盒胶框密封，盒的两个外侧贴有偏光片。在上下两片栅栏相互垂直的偏的

3、两个外侧贴有偏光片。在上下两片栅栏相互垂直的偏光板之间充满液晶，利用电场控制液晶的转动光板之间充满液晶，利用电场控制液晶的转动不同的不同的电场大小就会形成不同的灰阶亮度电场大小就会形成不同的灰阶亮度光的偏振及其应用光的偏振及其应用o 红外偏振光治疗仪红外偏振光治疗仪将0.6m-1.6m特定波长的光波（医学上称为人体投射窗口），经过偏振系统处理后产生红外偏振光（偏振度达91%），通过不同功能的治疗头（透镜组）和电脑控制，将红外偏振光渗透于神经根、神经干、神经节、经络穴位和痛点，显著改善血液循环，使人体的亚健康状态调整到健康水平。o 光的偏振及其应用光的偏振及其应用o 椭偏光谱学简介椭偏光谱学简介

4、o 固体材料光学性质与光学常数关系固体材料光学性质与光学常数关系o 可见可见-近红外偏振手段应用以及数据处理近红外偏振手段应用以及数据处理o 椭偏光谱研究进展椭偏光谱研究进展 椭偏光谱学简介椭偏光谱学简介o 椭圆偏振光谱学（spectroscopic ellipsometry）。是利用光的偏振特性，在光的反射和折射定律基础上对光学固体材料的光学结构和性质进行测量、分析、研究的一门科学。其特点是通过测量偏振光与固体材料相互作用后的振幅和相位变化，可以得到有关材料光学常数等各种信息，如吸收系数、反射率、复折射率和复介电常数等。椭偏测量的发展o 1823年，菲涅尔推导出著名的菲涅尔公式o 1863-

5、1906年，drude教授最先开展椭偏光谱研究，推导出测量计算基本公式o 1945年，消光式椭偏测量方法o 动态光度式椭偏测量方法 旋转检偏器旋转检偏器 旋转起偏器旋转起偏器 相位调制型相位调制型 rpse实时在线椭偏光谱仪电磁光波电磁光波 电场和磁场混合组成电场和磁场混合组成 典型的椭圆偏振光仅考虑电场（ e-fields）.yzelectric field, e(z,t)magnetic field, b(z,t)v(2sin),(0tzetzeo 用垂直座标中的2束分量光的重叠状态来表述。o 线偏振光n 两束光相位相同.o 圆偏振光n 相位相差 90 n 振幅相同.o 椭圆偏振光n 相位

6、、振幅都不同xywave1wave2ez 椭圆偏振光椭圆偏振光椭偏测量椭偏测量物理依据物理依据io 入射光在界面发生反射或者折射时，其反射波和透射波偏振态会改变。这种变化的原因在于:p光和s线偏振光有不同的菲涅尔反射或透射系数。irsssiserreerpippiperr eeo r为反射波的电矢量与入射波的电矢量之比，为经过反射后电矢量产生的相移。其中s和p表示垂直（s）和平行（p）入射面两个分量。椭偏测量椭偏测量物理依据物理依据iipsi()ppssrrerritanepsrtanr ps 和分别反映了光与物质相互作用后，p和s振动分量的振幅和相位发生的变化，不仅依赖于被研究材料的光学性质

7、，还依赖于实验条件，如入射光的波长和入射角、样品表面的粗糙度等条件。最后椭偏参数与所需确定的光学常数之间的联系还依赖于材料的结构和所采用的反射式光学系统的模型。椭偏测量：椭偏测量：测量光强转化为偏振测量光强转化为偏振o p0为固定起偏器，p和a为可旋转的起偏器和检偏器，初始偏振方向沿s方向。a的转速是p的两倍，光入射面与s方向垂直sf0pr0cosasinacospsinp10cospsinp1e10e0rsinacosasinpcosp00sinpcosp0 椭偏仪实际测量的是什么呢？椭偏仪实际测量的是什么呢？ 光强光强 椭偏设备和光谱仪原理是一样的，通过光强转化为偏振数据椭偏设备和光谱仪原

8、理是一样的，通过光强转化为偏振数据16o 测量偏振光经表面反射后偏振态的变化。 ( and ) .o 非破坏性测量技术o 可以测量薄膜的折射率等光学常数和膜厚。 plane of incidenceeep-planep-planes-planes-plane 椭偏测量特点椭偏测量特点 光强光强 椭偏参数椭偏参数 复介电常数复介电常数 其他光学常数其他光学常数o 光的偏振及其应用光的偏振及其应用o 椭偏光谱学简介椭偏光谱学简介o 固体材料光学性质与光学常数关系固体材料光学性质与光学常数关系o 可见可见-近红外偏振手段应用以及数据处理近红外偏振手段应用以及数据处理o 椭偏光谱研究进展椭偏光谱研究进

9、展固体材料光学性质与光学常数关系固体材料光学性质与光学常数关系o 材料的宏观光学性质：折射率n和消光系数k () = n() + ik() 对于吸收介质，光的强度i(x)在固体中随距离x和时间t传播时按以下形式衰减： i(x)=|e(x,t)|2=i(0)e-ax 上式中，a为吸收系数，它的物理意义为：当光波的透入距离x=d1=1/a=0/4k,光的强度衰减到原来的1/e，通常d1称为透入深度。 a=4k/0 (材料吸收特性与消光系数关系)光学常数之间关系光学常数之间关系o 材料复折射率：o 上式中复介电常数 定义为： 222224=n =(n -k )+i2nk=(n -k )+i 12i2

10、21nk2422 1/21/21211n()222 1/21/21211k()2表征了固体宏观光学性质的不同光学常数之间的关系表征了固体宏观光学性质的不同光学常数之间的关系kramers-kronig 关系关系o实部和虚部互相关联, 实部1和虚部2之间存在下述k-k关系。 0222121dp 0221212dpp means “principal part “ 0222121dp 0221212dp 0222121dp 0221212dpp means “principal part “frequency (energy)nk122202202k()k( )n( )1pd2n()k( )pd

11、色散曲线色散曲线lorentzlorentz近似近似正常正常色散色散反常反常色散色散正常正常色散色散 反常色散反常色散, , 0, n0, r1, ,金属反射区金属反射区金属的反射率金属的反射率agaucugesi3004005006007008009000.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0反射率反射率r r波长波长(nm)(nm) 金属银呈现白色金属银呈现白色 铜和金呈现黄色铜和金呈现黄色o 光的偏振及其应用光的偏振及其应用o 椭偏光谱学简介椭偏光谱学简介o 固体材料光学性质与光学常数关系固体材料光学性质与光学常数关系o 可见可见-近红外偏振手段应用以及数据处理

12、近红外偏振手段应用以及数据处理o 椭偏光谱研究进展椭偏光谱研究进展vase-32椭偏仪及其数据处理椭偏仪及其数据处理o 光的偏振及其应用光的偏振及其应用o 椭偏光谱学简介椭偏光谱学简介o 固体材料光学性质与光学常数关系固体材料光学性质与光学常数关系o 可见可见-近红外偏振手段应用以及数据处理近红外偏振手段应用以及数据处理o 椭偏光谱研究进展椭偏光谱研究进展研究进展研究进展i：多层介质膜椭偏研究：多层介质膜椭偏研究o 基底光学常数确定。基底光学常数确定。o 多层膜光学常数确定。多层膜光学常数确定。首先假定其为单层膜，根据这一物理结构，拟和得到的结果如下图 所示。拟和与实测值偏差很大，趋势也不相同

13、，在400650 nm 范围内，两者比较吻合，而在紫外及红外区，拟和与测试相差很大，如在波长1 650nm 处， 和 的拟和与实测值分别达到了18和60的偏差。这可能是由于色散关系不正确，也可能是物理结构不合理造成的。通过反复尝试色散关系以及薄膜的厚度、折射率初值，始终无法得到理想的结果，由此断定该未知薄膜不是单层结构。研究进展研究进展i：多层介质膜椭偏研究：多层介质膜椭偏研究研究进展研究进展ii: 蒸发速率对蒸发速率对ito光学常数影响光学常数影响ito 具有复杂的吸收机制和微观结构,制备工艺和退火条件也会对它的光学性质造成影响。因此长期以来都无法准确测量ito 薄膜的光学常数。随着蒸发速率的提高, ito 薄膜的载流子浓度随之减小,而折射率随之增大,符合折射率随载流子浓度的变化关系。研究进展研究进展iii：椭偏和光度法联用：椭偏和光度法联用o 吸收薄膜椭偏法拟合出现光学常数关联性的根本原因，在于未知参数的数量大于方程数，椭偏方程无惟一解，这直接导致了一定范围内不同的 d，n，k 组合都可产生较好的拟合结果，从而使结果离