椭偏法测量薄膜的厚和折射率闫学习教案

1、会计学1椭偏法测量椭偏法测量(cling)薄膜的厚和折射率薄膜的厚和折射率闫闫第一页，共16页。2、薄膜的光学、薄膜的光学(gungxu)与几何特征参数为与几何特征参数为n，d 。n为薄膜复折射率为薄膜复折射率, nN-ik透明介质透明介质(jizh)膜，无吸收膜，无吸收(k=0)，其折射率为实数。，其折射率为实数。d为薄膜的厚度。为薄膜的厚度。3、常见测定薄膜光学参数的方法：、常见测定薄膜光学参数的方法：布儒斯特角法布儒斯特角法，干干涉法、称重法涉法、称重法、X射线法射线法、电容法电容法、椭偏法椭偏法等。等。第2页/共16页第二页，共16页。4、椭偏法测量的优点、椭偏法测量的优点(yudin

2、)：精度高，灵敏度高：精度高，灵敏度高，无，无 破坏性等。在光学、半导体学、生物学、医学破坏性等。在光学、半导体学、生物学、医学等诸多领域已得到广泛应用。等诸多领域已得到广泛应用。二、实验目的二、实验目的了解椭偏光法测量原理了解椭偏光法测量原理(yunl)和实验方法。和实验方法。熟悉椭偏仪器的结构和调试熟悉椭偏仪器的结构和调试方法。方法。测量介质薄膜样品的厚度和测量介质薄膜样品的厚度和折射率。折射率。椭圆偏振法是利用被测样品表面对椭偏光的反射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特性来测量样品的光学(gungxu)常数。常数。是一种先进的测量薄膜纳米级厚度的方法。是一种

3、先进的测量薄膜纳米级厚度的方法。第3页/共16页第三页，共16页。1）简述椭偏法的测量原理，各）简述椭偏法的测量原理，各主要光学部件的作用是什么？主要光学部件的作用是什么？2）简述椭偏仪测量薄膜厚度）简述椭偏仪测量薄膜厚度的实验步骤。的实验步骤。第4页/共16页第四页，共16页。第5页/共16页第五页，共16页。四、实验原理四、实验原理使一束自然光经起偏器变成线使一束自然光经起偏器变成线偏振光，再经偏振光，再经1/4波片，使它变波片，使它变成等幅椭圆偏振光，入射到待成等幅椭圆偏振光，入射到待测的膜面上。反射时光的偏振测的膜面上。反射时光的偏振态将发生变化。对于态将发生变化。对于(duy)一一定

4、的样品，总可以找到起偏方定的样品，总可以找到起偏方位角位角P，使反射光由椭圆偏振光，使反射光由椭圆偏振光变成线偏振光。于是转动检偏变成线偏振光。于是转动检偏器，在其相应的方位角器，在其相应的方位角A下得到下得到消光状态。消光状态。自然光自然光起偏器起偏器1检偏器检偏器光电倍增管光电倍增管1/4波片波片线偏线偏振光振光氦氖激光器氦氖激光器消光消光第6页/共16页第六页，共16页。ss1 k0 k1 k2 k323dn1n2n3 界面界面1界面界面2椭偏光椭偏光 光在单层介质膜表面的反射光在单层介质膜表面的反射(fnsh)与折射与折射 。PP第7页/共16页第七页，共16页。2221211Ripp

5、ippperrerr2221211Rississserrerr第8页/共16页第八页，共16页。12212222sin2cos2nnddn21、22222121212111issippissippspierrerrerrerrRRetgGspRRG 式中，式中，r1p、r2p为界面为界面(jimin)1、2处反射光处反射光p分量的振幅反射系数，分量的振幅反射系数，r1s、r2s为界面为界面(jimin)1、2处处s分量的振幅反射系数分量的振幅反射系数 ，2系系指薄膜表面的相继两束反射光因光程差而引起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：的位相差，它满足：在椭偏测量在椭偏测量

6、(cling)中测量中测量(cling)的是的是Rp与与Rs之比，即之比，即G：用用tg和和分别表示分别表示G的模和幅角，则：的模和幅角，则：椭偏方程椭偏方程和和称为椭偏参数称为椭偏参数第9页/共16页第九页，共16页。 式中，式中，和和称为椭偏参数并具有角度称为椭偏参数并具有角度(jiod)量值，是量值，是n1、n2、n3、 、及及d的函数的函数；由于；由于n1、n3、 和和、 为为 已知量，只要利用已知量，只要利用实验测出实验测出和和，并利用计算机作数值计算，即，并利用计算机作数值计算，即可得到薄膜折射率可得到薄膜折射率n2和厚度和厚度d。、1、1和和的如何的如何(rh)测量？测量？把把R

7、p与与Rs复振幅复振幅(zhnf)写成模和幅角形式：写成模和幅角形式：iprpiipirppeEeER|isrsiisirsseEeER|)()(|isiprsrpiipisrsrpspieEEEERRetgG|ipisrsrpEEEEtg)()(isiprsrp反射前后反射前后p,sp,s两分量的两分量的振幅衰减比振幅衰减比两分量的相移差两分量的相移差第10页/共16页第十页，共16页。为使测量更加简便为使测量更加简便(jinbin)(jinbin)，在椭偏测，在椭偏测量中要求入射光和反射光满足两个条件量中要求入射光和反射光满足两个条件：（1 1）入射光为）入射光为p,sp,s分量的振幅相等

8、分量的振幅相等(xingdng)(xingdng)的椭偏光，的椭偏光，此时：此时：|isipEE|rsrpEEtg仅与反射光仅与反射光p,s分量的振幅分量的振幅(zhnf)比有比有关关（2 2）反射光为线偏振光，此时：）反射光为线偏振光，此时：, 0rsrp), 0()(isip实验上如何实现？实验上如何实现？第11页/共16页第十一页，共16页。自然光自然光起偏器起偏器1检偏器检偏器光电倍增管光电倍增管1/4波片波片线偏线偏振光振光氦氖激光器氦氖激光器消光消光u等幅椭偏光等幅椭偏光(pin (pin un)un)的获得的获得快轴快轴慢轴慢轴S方向方向(fngxing)P方向方向(fngxin

9、g)E0入射光入射光E0代表经方位角为代表经方位角为p的起偏器的起偏器出射的出射的线偏振光线偏振光的振幅的振幅将将E0在波片的快轴在波片的快轴f 和慢轴和慢轴 l上分解为上分解为:)4cos(01PEEf)4sin(1PEs通过通过1/4波片后，波片后，Ef将比将比Es超前超前/2)2exp()4cos(02iPEEf)4sin(02PEEs把这两个分量分别在把这两个分量分别在s 轴及轴及p轴上投影并再合成为轴上投影并再合成为Es和和Ep ，便得，便得到到002exp() ,2423exp() .24ipxisyEEEi PEEEiP()2.2ipisP1|isipEE第12页/共16页第十二

10、页，共16页。自然光自然光起偏器起偏器1检偏器检偏器光电倍增管光电倍增管1/4波片波片线偏线偏振光振光氦氖激光器氦氖激光器消光消光u反射光为线偏振光的检测反射光为线偏振光的检测(jin c)(jin c)消光法消光法检偏器的透光轴检偏器的透光轴t与合成的反射线偏振与合成的反射线偏振光束的电矢量光束的电矢量(shling) Er垂直时垂直时,反射反射光在检偏器后消光：光在检偏器后消光：tanrprsEAEtantan,()(2),2()0rprsrprsAP 或第13页/共16页第十三页，共16页。五、实验内容与步骤五、实验内容与步骤首先开启主机电源，点亮氦氖激首先开启主机电源，点亮氦氖激光器（

11、预热光器（预热30分钟后再测量为分钟后再测量为宜）。宜）。2.放入待测样品，选定入射角放入待测样品，选定入射角（70），调节起偏机构悬臂和），调节起偏机构悬臂和检偏机构悬臂，使经样品表面反检偏机构悬臂，使经样品表面反射后的激光束刚好通过射后的激光束刚好通过(tnggu)检偏器入光口显示窗。检偏器入光口显示窗。3.调整起偏器和检偏器的角度，直调整起偏器和检偏器的角度，直至出现两次消光，测出检偏器后至出现两次消光，测出检偏器后消光时起、检偏器方位角消光时起、检偏器方位角(P1,A1)和和(P2,A2)；第14页/共16页第十四页，共16页。4. 将两组（将两组（P，A）换算，求平均值；）换算，求平均值；5.