(光学专业论文)面阵ccd椭圆偏振光谱系统的实验研究及其应用.pdf_第1页
(光学专业论文)面阵ccd椭圆偏振光谱系统的实验研究及其应用.pdf_第2页
(光学专业论文)面阵ccd椭圆偏振光谱系统的实验研究及其应用.pdf_第3页
(光学专业论文)面阵ccd椭圆偏振光谱系统的实验研究及其应用.pdf_第4页
(光学专业论文)面阵ccd椭圆偏振光谱系统的实验研究及其应用.pdf_第5页
已阅读5页,还剩98页未读 继续免费阅读

(光学专业论文)面阵ccd椭圆偏振光谱系统的实验研究及其应用.pdf.pdf 免费下载

版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领

文档简介

丫6 5 2 5 1 3 摘要 论文题口 :面阵c c d椭圆偏振光谱系统的实验研究及其应用 光科学与工程系 2 0 0 4届硕士研究生指导教师: 摘要 椭圆偏振光谱测量作为一种非接触、 非破坏性测量方法被广泛应用于材料光 学性质的测量 主要是利用探测光波同待测样品发生作用后光波偏振态的改变来 得到材料的光学参数。 本文的工作主要是集中在椭圆偏振光谱仪的介绍、 研制、 制作及其数据测量 和分析 卜 。实验中研制了一台旋转起偏器光度式c c d椭圆偏振光谱仪。论文中 讨论了 其基本原vi i , 具体调节安装过程以及几种半导体介质材料的分析, 主要内 容如下: 首 先介绍了一些椭圆偏振光谱的发展历史及其椭偏在现代研究领域中的应 用, 在第二章中我们详细讨论了作为椭偏仪必不可少的分光器件一单 色仪中各部 分元器件的原理。 包括光栅、滤色片、单色仪架构以及作为探测系统的c c d面 阵探测器,作为现代光谱分光的唯一器件,在光谱测量中起着至关重要的作用。 第三章 我们详细介绍了椭偏测量的几种模型结构。对于不同物理结构的样 品, 如体材料、 单层膜及多层膜灯类型的材料结。 应用不同方法去获得其光学常 数。 对于体材料, 椭偏测量得到的数据就直接为该种材料的光学参数; 而对于后 面两种结构, 椭偏测量得到的仅仅是其椭偏参数, 即两束偏振光的振幅比和相位 差, 我们必须建立正确的理论模型, 对其进行拟合和分析刁 能得到材料的各项光 学常数。 在第四 章我们详细描述了自己设计的面阵c c d光谱仪的结构原理及调试过 程以 及利用该光谱仪所建立的椭圆偏振光谱仪的详细调试过程,在本章的最后, 对贵金属样品金的光学参数进行了 测量, 并利用d r u d e 模型对其进行了拟合, 得 到了满意的结果。 最后一章我们利用椭圆偏振光谱仪对儿种材料进行了测量, 着重讨论 和分析 摘要 了 椭偏模型建立的重要性, 展示了 对于同 一样品 用不同模型分析结果, 并讨论了 不同 物理模型中各个参量之间的 相互关系以 及怎 样取舍其理论模型中的各参量 值。 关键词:椭偏仪,光谱仪, 光栅, c c d探测器 摘要 ab s t r a c t s p e c t r o s c o p i c e l l i p s o m e t ry h a s b e e n w i d e l y u s e d a s a n o n - d e s t r u c t i v e o p t i c a l t o o l f o r c h a r a c t e r i z i n g t h e o p t i c a l p r o p e r t i e s a n d l a y e r e d s t r u c t u re o f b u l k a n d t h i n f i l m m a t e r i a l s . h i g h - s p e e d s p e c t r a l m e as u r e m e n t i s r e q u i r e d f o r o p t i c a l m o n i t o r i n g a n d c o n t r o l l i n g o f t h e m a t e r i a l p r e p a r a t i o n i n r e a l t i m e . i n t h i s w o r k w e h a v e d e s i g n e d a n d c o n s t r u c t e d a n e w t y p e o f c c d s p e c t r o s c o p i c e l l ip s o m e t e r t o s t u d y t h e o p t ic a l p r o p e r t ie s o f m a t e r i a l s in t h e 5 0 0 - 1 0 0 0 - n m w a v e l e n g t h r a n g e . f o r t h e s y s t e m , t h e a n a ly z e r is f ix e d , a n d t h e p o la r iz e r is d r iv e n 1 0 0 s t e p s p e r re v o lu t io n b y a s te p p in g m o t o r t h a t h a v e h o l l o w s h a ft . i n s t e a d o f u s i n g t h e t r a d i t i o n a l g r a t i n g m o n o c h r o m a t o r a n d p h o t o m u lt ip l ie r d e t e c t o r , a n e w ty p e o f s p e c t r o m e t e r w a s b u i l t b y u s i n g a t w o - d i m e n s i o n a l s i - b as e d c c d a r r a y d e t e c t o r a n d a n i n t e g r a t e d g r a t i n g c o n s i s t i n g o f t h re e s u b - g r a t i n g s . t h i s w i l l m a g n i f y t h e w a v e l e n g t h r a n g e t h r e e f o l d w i t h h i g h e r s p e c t r a l r e s o l u t io n a n d d a t a a c q u is it io n s p e e d . t h e p r o b l e m s o f t h e o p t i c a l a n d m e c h a n i c d e s i g n , s y s t e m c a l i b r a t i o n , s o f t w a re a n d d a t a a n a l y s i s h a v e b e e n in v e s t i g a t e d a n d s o lv e d . a s a t e s t o f t h e s y s t e m , t h e c o m p l e x d i e le c t r ic f u n c t io n o f a g o ld f il m s a m p l e w a s m e a s u r e d t o e x t r a c t t h e o p t i c a l p a r a m e t e r s b as e d o n t h e d r u d e m o d e l . t h e r e s u l t i s i n a g r e e m e n t w i t h t h a t o b t a i n e d b y o t h e r m e t h o d s . 绪论 第一章绪论 i . 1 .椭圆偏振光度法和光谱法测量原理介绍 现代椭圆偏振光谱方法可用于众多材料的光学性质的 研究和分析, 可将实验 中测量到的椭偏参数与材料的光学常数、 物质组成以及材料的电 子能级跃迁的微 观机理及多种物理机制联系起来,其结果可以 非常灵敏反映材料的结构和性质。 在椭圆偏振光谱实验测量系统中,己知一偏振方位角的偏振光入射到一待测样 品, 并与其发生作用, 其反射光的偏振状态将由其入射光的偏振状态及待测样品 的光学性质及结构所决定。 通过测量在不同条件下的( 如不同波长、 不同入射角) 入射光和出射光的偏振状态从而得到材料的光学特性和结构性质。 通常的 椭圆 偏振光谱测量系统的工 作布局如图1 . 1 所示。 来自 合适光 源( l ) 的 准直性能 优良 的 单色光或准单色光,经过可调 起偏器( p ) 产生一束己 知偏振态 并且其偏振态可控的光束,这束光入射到待测样品 ( s )并与该样品发生相互作 用, 从而使反射光的偏振态发生变化。 利用可调检偏器 ( a ) 并结合探测器 ( d ) 对反射光的偏振态变化进行检测. 图, 1椭圆偏振光谱实验系统的工作布局图 如认为光波与光学系统间的相互作用是线性的,并且无n r l率转变,则由于 其反射过程, 在光学系统中作为光学探针的光波的偏振态将发生变化, 这是因为 对 于 与 入 射面 相 平 行( p ) 和 垂 直( s ) 的 两 种 线 偏 振 光 分 别 有不同 的 菲 涅 耳 反 射 和透射系数。为了给利用偏振光的反射进行表面薄膜测量的光学装置命名, r o t h e n第一次采用了椭偏仪这个术语; 此名称便因此沿用至今。自d r u d e 推出 d r u d e 模型以 来, 椭偏测量术就一直被认为是研究表面和薄膜的重要手段。 可应 绪论 用于测量材料的光学性质及其随波长的变化关系 ( 色散) ,这些材料可以是液相 或固相,在光学上可以是各向同性或各向 异性的,可以是块体样品或薄膜样品; 也可以用于监控有关表面的各种现象, 包括从准单分子层开始的薄膜生长或这类 膜层的清除; 还可以用于测量电 场、 磁场、 应力或温度等物理因素对材料光学性 质的影响等等。 在随后的几章里,我们将介绍椭偏光谱方法的发展历史及其应用。有关椭 偏仪的更多发展历史进程和其在各个领域的 应用可参考 椭圆偏振测量术和偏振 光 。 本文将主要叙述c c d凝视式小型椭圆偏振光谱实验系统的研制及椭偏测量 模型的建立和数据分析。 绪论 1 . 2 .椭圆偏振光谱学的发展历史 早在 1 0 0多年前d r u d e 就发现光波偏振态的改变与材料的属性、厚度、及 其结构有着直接的联系。 然而, 直到t r a n s t a d 将其作为一种非破坏性测量手 段应 用到当时的电化学测量中, 在测量任何透明薄膜材料样品的表面结构时, 椭偏方 法体现出了 极高的测量准确度和灵敏度, 凭借这一优点, 椭偏术作为一种测量手 段才被广泛应用于各研究领域。 在那个年代,由于技术等原因的限制, 当时出现 的椭偏测量装置只有单波长并且全手动模式,但是,由于其极为优异的灵敏度, 椭 偏 测 量 方 法 仍 得 到 了 迅 速的 发 展 。 1 9 6 9 年 , c a h a n 和s p a n ie r 研 制 的自 动 旋 转 检偏器的椭圆偏振光谱系统问 世, 极大加快了 椭圆偏振光谱方法的研究进程, 并 成为椭偏光谱学研究和发展的一个关键转折点. 目 前,椭圆偏振光谱系统演变成为两种主要类型。一种就是已在科研上广 泛应用的光谱型椭圆偏振系统,其主要的发展方向是不断拓宽其测量的波长范 围,现在市面上常见的椭偏测量的光谱范围为 1 9 0 n m -2 1 0 0 n r n o这种类型的椭 圆 偏振光谱仪使用连续光源, 通过波长选择器来测量样品 在特定波长范围内的光 学 参数, 被广泛应用于离位的 块状材料 或单层、 多层薄膜的研究。 另一种是单波 长的 激光椭圆偏振光谱仪, 被广泛应用于工 业半导体薄 膜厚度和质量的检测, 薄 膜 生 长的 在 线 测量 和 控制,以 及 低 消 光 系 数 ( k ) 的 单 层 薄 膜的 研 究。 因 为 其 光 源 为高稳定度的 激光光源, 故这种类型的 椭偏仪具 有非常高的 精度、 第二章 光栅光谱与c c d探测器 第二章光栅光谱与c c d探测器的结合 2 . 1 实验光谱系统的基本原理 作为光子能量进行检测和分析的重要光学元件光栅,是许多光谱分析 系统的核心。 光栅的种类有很多种, 从其制作原理上基本可分为三种类型, 即刻 线光栅、 全息光栅、以及现在应用非常广泛的第三代等离子刻蚀全息光栅。 从其 结构上可分为平面、凹球面和非球面等结构。 与棱镜相比, 光栅不受材料透过率 的限制, 可以在整个光学光谱区中应用。 光栅的角色散率几乎与波长无关, 而棱 镜的角色散率与波长是一个非线性函数, 通过相同孔径的光栅角色散率在第一级 衍射光谱中比棱镜大;光栅的分辨率比棱镜高。 2 . 1 .飞光栅的基本工作原理 在介绍光栅的基本工作原理之前,我们首先提及一下连续光谱和线状光谱 的区别。 线状光谱光源从理论来说是指拥有无穷细带宽光谱的光源。 实际上这样 的光源是不存在的, 因此可近似将非常窄带宽的光谱看作为线状光谱, 类似的光 源有单模激光、低压/ 0温冷却状态的 标准光谱灯等,它们通常被称为线状光谱 光源或者是非连续线状光谱光源。 我们通常所说的白 光是指光谱带宽为无穷大的 光谱光源, 从原理上来说, 其波长都是连续的。实际上,这些所谓的连续光谱也 只是在有限波段内的连续光谱, 或者说在有限的几个波段内的连续光谱, 如我们 通常所用的氖灯其光谱范围为1 8 5 - 4 0 0 n m , 如图2 . 1 。 以及氮灯的连续光谱范围 1 8 5 - 2 0 0 0 m n 。 我们都认为这些光 源是 连 续光谱光 源. 而光 栅的 衍射作用 就是 将 这些连续光谱光源中不同 波长的各光谱线区分开来, 最后获得实验研究所需要的 单色光或对研究对象的光谱特征进行分析。 第二章 光栅光谱与c c d探测器 0 . 1 0 . 0 5 0 . 0 1 !一1 f s s y n t h e t ic s il ic a” ( p r o j e c t i ng t y p e , 1 m m t h ik ) / i r l 、 .-二, 1、i1。 i一i一i. .ii1一 、卫 一i一 li !、i , -卜 、一一 il ! . 肠、 、一一ll 1 一 、一l一ll l 卜 网 ! l 、 、网 、 、 、 、. 、 , , . e。异苟任牙to/m3卜jj的n山工n工卜聂一0荃 1 6 0 2 0 0 2 4 0 2 8 0 wa ve l e ng t h 3 2 0 ( n m ) 2 6 0 4 0 0 图2 . 1氖灯光谱曲线图 e x i1s ill e h t r a n c 0 5 1 1 1 图2 .2平面光栅的工作原理示意图 a . 基本方程 衍射光栅的最基本的理论方程为: s i n a + s in p = 1 0 -6 k n 7,( 2 . 1 ) 其中a 为 光的 入射角, p 为 衍射角, k 为 光谱线的 级 数, n 为光 栅的 线密 度( g r / m m ) 第二章 光栅光谱与c c d探测器 21 为 衍射 光波长( n m ) 。 在大多 数应 用光栅的 光谱分 析系统中, 光进入系统的 入射 和出 射狭缝的位置都是固定的, 通过某种形式的机械控制方式, 光栅将围绕转轴 旋 转, 使 得在出 射狭缝处获 得准单 色波长光的 入 射狭缝的 像。 如图2 .2 及2 .3 所 示, 其中l a 为入射臂的长度, l b 为出 射臂的长度, d v 为该单色光谱系统的偏离 角: d v =p 一 a( 2 . 2 ) 图2 .3凹面光栅示意图 如果偏离角 d v 固定且为已知,可根据2 .2 和2 . 3 式以及按最后的出射波长x 求 出a 和p 的 值。 表2 . 1 列出 了 在 不同 偏 离 角的 情 况下 , 光 栅 线密 度 在1 2 0 0 g r t m m , 出 射波长在5 0 0 n m时候的a , p 的 值 d e v i a t i o n 01 7. 45 8 p 1 7 . 4 5 8 1 0 1 2 . 5 2 6 2 2 . 5 2 6 2 0 7 . 7 3 6 2 7 . 7 3 6 2 4 5 . 8 6 1 2 9 . 8 6 1 3 0 3 . 0 9 4 3 3 . 0 9 4 4 0 - 1 . 3 8 2 3 8 . 6 1 8 5 0 - 5 . 6 7 0 4 4 .3 3 0 -. . 一.一. , . 一-. . . . . . 口 . . . 曰 曰 曰 曰 曰 . . 一. . . 一 表2 1 1 2 0 0 g r lm m , 5 0 0 n m 波 长 下 入 射 角 、 衍 射 角 及 其 偏 离 角 关 系 第二章 光栅光谱与c c d探测器 b . 角色散 角色散是指在衍射角每转过一单位角度后其出射狭缝焦平面上波长的变化 量,表示为; b 1 0 - k n 、 , _ _ 二 二 几 二二 -r a d1 n m ( 2 . 3 ) 以c o s 刀 叩为 两 个 波 长 之 间的 角 度间 隔, 通 常 单 位为 弧 度; d k . 为 两 个 不同 波长的 间 隔, 单位为n m . c .线色散 线色散是恒量一个单色光谱系统分辨能力的主要指标之一,其定义是指在 出射狭缝的焦平面上单位距离内对光谱线分辨的间隔, 通常用n m l m m作为其单 位。其基本公式为: d a d x c o s 刀 1 0 - 6 k n l g n ml mm( 2 .4 ) 其中l 。 为出射光的有效焦距,如图2 .2 所示。 对于一个固定的单色仪来说,l b 是指其聚光凹透镜到出射狭缝的距离, 对于一个如图2 .3 所示的凹面光栅的单色 光谱系统来说, 其l b 就是指从该光栅中心到出 射狭缝的距离,从2 .4 式可看出, 线色散同co 邓成正比,同 有效焦距、 光栅的 线密 度及出 射光的 级数成反比。由 此可知,线密度越高的光栅其线色散也就越小,对应的分辨率也就越高。 对于一个成像光谱系统来说,它的线色散在不同波长下是不相同的。而是与 其成像平面与当前波长的垂直平面的夹角有关, 如图2 .3 所示, 假设在其像平面 上放置一面阵c c d探测器,其线色散公式为: 丛 v c o s 竺s ) m i m m ( 2 .5 ) d y 1 0 一 e k n l b m 7 二 瓜 一 /3 ( 2 .6 ) 由2 . 5 及2 .6 式可导出式2 . 7 c o s 刀 c o s 2 y l 0 -4 肋乙 n ml mm( 2 . 7 ) 由上式可见, 对于成像光谱系统, 其色散率将随探测元被置于不同位置而发生变 第二章 光栅光谱与c c d探测器 化。 d . 光谱线的级数 图2 .4 显示了在光谱分析系统的出 射狭缝焦平面上波长从2 0 0 n m到1 0 0 0 n m 的一级衍射光谱。由公式2 .2 可知,当 光栅线密度、 偏离角、 入射/ 出射角等为固 定的条件下,k ? 为一常数: k x = c o n s t a n t ( 2 . 8 ) 由2 . 8 式我们可以得到, 在同样一级光谱线的 位置, 有着相对应的一半波长的二 级光,同样有着三分之一波长的三级光等等。 1 分口 抽心 侣 . . b . o r b . 口 ,. , . 哪识 n . 卜t 礴入. _ .y 0g e p e r s t e n e t 0 . n 生 r 二 w胜 丫 . . 叭 口 i h s o 几m1 mm 63 s2 .6 3 ,s0a00o溉娜 白 的00毗的 自目422 oodo 000 口口2, o r d e rt s t 2 n d3 rd4 th 4 0 02 0 0 1 1 3 3 .3 ). d ) 0. 图2 .4光谱线级数与波长的关系 如有一连续光谱光源, 其光谱线范围为2 0 n m到1 0 0 0 n m , 那么在一级光谱 线为8 0 0 n m处,会出现4 0 0 n m的二级光谱以及2 6 6 .6 n m的三级光谱线和2 0 0 n m 的四级光谱线。如果在该处的探测器只是想探测8 0 0 n m波长的一级光的强度, 就必须采用短波截止滤色片将其它高次光滤去,才能得到单纯的单色光谱。 对于一级光谱在2 0 0 n m至3 8 0 n m之间的光谱线则不需要带通滤波片, 因为 波长小于1 9 0 n m的光谱线在一般大气中传播将被混合的气体分子吸收,也就是 说在大气中很难探测到1 9 0 n m以下的光谱线。 但如果在光谱系统中充以保护性 的 氮气 ( n o , 对1 0 0 - 2 0 0 n m光谱区的 吸收较小, 则仍需要采用高通带 通滤色 片。 e .闪耀光栅 非闪耀光栅其能量分布与单缝衍射相似,大部分能量集中在没有被色散的 第二章 光栅光谱与c c d探测器 “ 零级光谱” 中, 小部分能量分散在其它各级光谱。 零级光谱不起分光作用, 不能 用于光谱分析。 而色散越来越大的一级、 二级光谱, 强度却越来越小。 为了降低 零级光谱的强度, 将辐射能集中于所要求的波长范围, 采用了光栅定向闪耀的办 法, 即将光栅刻痕刻成一定的形状, 使每一刻痕的小反射面与光栅平面成一定的 角度, 使衍射光强最大从原来不分光的零级光方向, 转移至由 刻痕形状决定的反 射方向,结果使反射光方向光谱变强,辐射能量最大的波长即称为闪耀波长。 如图2 .5 所示, 闪耀光栅就是将普通衍射光栅的刻槽控制成一个具有。角度 ( 闪 耀角) 的右三角的形状。 对于顶角大于1 1 0 的情况一般被用在现今的第三代等离 子体刻蚀全息光栅当中, 通过对刻槽顶角角度的控制可以使得现在的第三代离子 刻蚀光栅在整个光谱范围内都具有非常高的反射效率。 +口 三 图2 5 闪耀光栅原理图 .0. 1利托结构 ( l it t ro w c o n d it i o n ) 对于闪耀光栅, 合理设计光栅衍射小平面的闪耀角,将使一级衍射光方向 上具有较强的光信号输出, 可获得较高的数据信噪比质量, 所形成最强的衍射波 长被称为闪耀波长。 为了方便计算和确定闪耀角和闪耀波长; 均假定入射角等于 衍 射 角, 偏离 角 为 零 度的 情 况, 这 种 情 况 称为 利 托结 构( l i t t r o w c o n d it i o n ) , 如 图2 .5 ,此时,由公式2 . 1 可得: s i n a + s i n 刀 = k n 礼1 0 - 亩 = a= 2 s i n co= 18 枷心1 0 - s ( 2 .9 ) 如 在 标 准 光 栅1 2 0 0 g / m m , 闪 耀 波 长为2 5 0 n m时 根 据 式2 .9 可 得其 一 级 光的 闪 耀 角为8 . 6 3 0 第二章 光栅光谱与c c d探测器 e .2光栅效率 光栅效率常用两种定义方法,分别为绝对效率和相对效率。绝对效率是入 射 光 中 获 得 所需 衍 射 级 次光 的 百 分 比 , 这是 最 有 用 的, 因 此 常 简 称 为 效 率。 它受 两个因素影响, 即光栅槽的形状和衬底材料的反射率。 另一个定义是所需要的衍 射级次光与使用相同材料的平面镜被反射的光的能量之比, 常称为相对效率或者 槽效率。 由 于光 栅材料的反射率小于l , 因 此相对效率总是高于 绝对效率。 图2 .6 和2 .7 分别为典型的闪耀刻线光栅和全息光栅的效率图。 在通常情况下, 对于一 块闪耀光栅其使用的范围为其闪耀波长的三分之二到其闪耀波长的 1 .8倍的范 围, 如图2 .6 , 对于闪耀波长为5 0 0 n m的光栅, 一般用于波长范围为3 3 0 -9 0 0 n m 的光谱区范围。 已已飞 goo700 图2 .6闪 耀波长为5 0 0 n m的闪 耀光栅效率曲线 , 8 0 0 d i mm h o l o 口 r a p h l a 巧0铸 5 oo ” 州70 0 r i m 图2 .7 全息光栅效率曲 线图 f 杂散光 在单色光谱系统的出 射狭缝处还出 射了 其他非预期的光, 被称之为杂散光。 通常 有两种 类型的 杂散光, 分别为 散 射 光和鬼 线 ( g h o s t s l in e ) , 主要是由 于 仪器 .i s- 第二章 光栅光谱与c c d探测器 内 各个光学元件表面随机产生的杂散光以 及由 于光栅的槽间 距不均匀而导 致的 非周期性散射的杂散光。 如果衍射光栅的刻槽不是严格周期性分布的,那么就会出现通常所说的鬼 线现象,并且鬼线将与正常光谱线一起被同时聚焦于出射平面。鬼线的强度 i g 由下式决定: 1 。 二 i p n k e rr z ( 2 .1 0 ) 式中i 。 为母线的强度, n为光栅的线密度,k 为光谱线的级数,e 为光栅刻槽位 置的错误因子。 对于全息光栅, 其散射光强度往往要比刻线光栅低一个以上的量 级,而且由于全息光栅不存在刻槽位置错误, 所以不存在鬼线的影响。 2 . 1 . 2 滤波元件的作用 滤波元件在光谱系统中主要起辅助色散的作用,例如消除衍射光栅的光谱 级的 重叠。 光谱 滤波片 ( 或 称为滤光 片 ) 按其作 用原 理可分为五大类: 吸收滤 波片、 干涉滤波片、反射滤波片、散射滤波片和组合滤波片。 按其光谱特性可分为带 通滤波片、 截止滤波片、 二向分光滤波片、中性密度滤波片、反射滤波片等。 按 应用类型和特点可分为医用生化滤波片、 荧光显微滤波片、 警用多波段硬膜滤波 片、 激光滤波片、 分析谱线滤波片、 汞灯谱线滤波片等。 在单色光谱我们采用的 是固体吸收滤波片, 是一种截止滤波片。 固体滤波片可分为晶体滤波片、 光学有 色玻璃滤波片、 光学陶瓷滤波片和塑料滤波片等四 种。 在近紫外、 可见和近红外 区, 常常采用玻璃滤波片; 在红外区主要是采用晶体、塑料和陶瓷滤波片等。 在 本工作所需的近紫外到近红外光谱区,选用了 有色玻璃的滤波片。 一般来说,有色玻璃指的是吸收光的波长范围在近紫外和近红外之间的玻 璃。 吸收滤波片的一个特点就是截止波长以下的波长几乎全部被吸收, 透射率趋 近 于0 。 图2 .8 为 美国m e l l e s g r i o t 公 司 生 产的 一 些 滤 波 片的 透 射曲 线 i s 。 这 些 曲线都是对 3 m m 厚的玻璃进行测量的。曲线上的文字是这些滤波片的型号。 第二章 光栅光谱与c c d探测器 一 硼 _下 _f . (1t i _鱼 _ _ 厂万 一 / .尺坦犷1一1 华州八 !了.1月f yam/一 洲川洲州片月。 价加一 rz中卜1肠sel卜f卜杏 1六.八明 出翻瀚翻加 山琴灵二伙岁夏任.哥里0获甘论告 月 0 05 的 的t 时 wa v e l e n g t h i n n a n o me t e r s 图2 名 不同型号高通滤色片的效率曲线图 原子或分子与光波发生相互作用时会出现吸收。原子或分子在吸收了 光子 之 后, 处 于激发态, 这个能量以 发热的 形式 ( 粒子 振动 ) 消 耗掉。 因 此, 吸收 滤波 片不适合应用于高功率的激光, 在这种情况下, 很强的局部发热可能会导致器件 的损坏。 使用吸收滤波片是解决光谱分析系统中高次衍射光千扰的一个最常用的方 法, 但也还有其他的一些方法。 在某些单色光谱系统中, 同一个光栅产生多个不 同级次的衍射光,可通过辅助系统使得某一时刻只选出其中某一级次的衍射光。 这些辅助系统可以是经仔细组合的一套干涉滤波片, 也可以是一个棱镜单色分光 系统。 2 .1 .3 实验光谱系统的基本结构 单色光谱系统是单色光子能量分析器, 用于对光的波长或能量作扫描分析, 由 多 种光学元件构成, 但究其基本结构, 主要有以 下两种, 分别为如图2 .9 所示 的f a s t ie - e b e r t 结 构和c z e m y - t u rn e r 结 构, 如图2 . 1 0 所示。 在该章节中 我 们定义 l a 为单色光谱系统中入射臂长, l 。 为出射臂长, h 为入射狭缝高度, h i 为出射狭 缝 处的 入 射 狭 缝 所 成 像的 高 度, a 为 入 射角, p 为 衍 射角, w为 入 射 狭 缝宽 度, w ! 为 出 射 狭缝的 宽度, d g 为圆 形 光栅的 直 径, w g 为 矩形光栅的 宽 度, h g 为 矩 第二章 光栅光谱与c c d探测器 形光栅的高度。 a . f a s t i e - e b e rt 结构 在f a s t i e - e b e rt 结构中, 光学系统由 一 块非 常大的 凹面 镜以 及一块 平面 光栅 所构成,如下图所示。凹面镜的一部分首先收集从入射狭缝处入射的连续光谱, 汇聚成平行光后反射至平面光栅, 经光栅分光后再入射到凹透镜的另外部分, 反 射会聚后由出射狭缝输出单色光,达到分光的目的。 这种设计结构是一种比 较便宜和通用的单色仪的结构, 但是由于系统缺陷, 比如凹面镜的失常、 象差、 散光以及焦平面的偏差等因素, 最后导致了较差的成 像质量以 及较低的光谱分辨率。所以在目 前实验系统中已 较少使用这种类型。 日 =日 , p l a n e gr a t l n g 图2 .9 f a s t i e - e b e rt 单色光谱系统的结构图 b . c z e r n y - t u r n e r ( c - t ) 结 构 现在大多数的单色光谱分析系统都采用了 这种c 一结构,由 两块凹面镜和 及一块平面光栅组成。 尽管在c - t结构中 两块凹面镜的作用与f a s t ie - e b e rt结 构中 那块面积大的凹面镜的作用是相同的, 但是由于用第一块凹面镜来汇聚从光 源出 射的 连续光谱, 而第二块镜子则用来聚焦经由 光栅散射后的 分立光谱。 所以 两面镜子的几何结构在这种 c - t结构中有很大的灵活性。通过使用非对称的 c z e rn y - t u rn e r 结构, 可以 得到 平面成像的 光 谱 分布和优异的 色散 矫正。 第二章 光梅光谱与c c d探侧器 9声日 . 户 l a n e住t a t l n g 图2 . 1 0 c z e r n y - t u rn e r 单 色仪结构图 c . 数值孔径 数值孔径 ( n a ) 是用来评价一个光学系统的采光能力的一个非常直接的参 数指标。其表达式为: na= n s i n i 2 其中n 为环境介质的折射率,空气中n = ( 2 . 1 1 ) 1 。s2 为光照入入射狭缝的半张角。我 们定义f / v a l u e = 1 / 2 * n a ,其对应关系显示在表2 .2 中。 f / v a l u ef / 2仍 f / 5f 1 7 f l l 0f / 1 5 q ( d e g r e e ) 1 4 .4 89 . 65 . 7 4 . 02 . 91 . 9 na0 . 2 501 60 . 1 0 0 . 0 70.0 50 . 0 3 表2 .2 . f / v a lu e , h a l f - a n g le , 与 数值孔径之间 的关系 。 i 光谱仪0f / v a lu e , 参数的 定义 在 通常的 光 谱 仪中 , 其 入 射 角a 与 衍 射角p 是不 相 等的, 所以 在 入 射 狭 缝 看光 栅的 有效面 积和出 射狭缝光 栅的 有效面 积也是 不 相等的。 如图2 . 1 1 a .6 .所示, 其中w g . w g - 分 别 为入 射 和出 射 狭 缝 处 光 栅的 有 效宽 度。 判 别 一 个 光 谱分 析系 统的f f v a l u 。 的 值,首先需了 解该光谱系统中 光栅的 等效直径。 如分别定义d 和 d ” 为从入射狭缝和出 射狭缝处看到的 光栅的等效直径, 对于一块矩形光栅来说, 其有效直径就为该光栅在垂直面上矩形投影内的最大内切圆的直径,因此,其 f / v a lu e ( i n ) 和f / v a l u e ( o u t ) 是不 相等的。 其 数 值为 第二章 光栅光谱与c c d 探测器 f / v a l u e ( i n ) = l a / d , f / v a l u e ( o u t ) = l b / d -仪 1 2 ) 对于一快矩形光栅来说, d和d 为: d =2 叽h g c o s a d =2 iw , h r c o s g i w h. = 2 1 一 ,7 4 r一 气一 一 仅1 3 ) 一二二 汀 而对于一块圆形光栅,其d 和d 分别为 d 一 d g (c o s a ) y n _n, 。 _ 。 my “ 一行9 、 。 。 尸i 表2 . 3 列举了光谱仪的f / v a l u e 同波长之间的关系。 ( 2 . 1 4 ) b ( n m)叹 pu v a l u e ( i n )f / v a l u e ( o u t ) 2 0 0一 1 . 4 02 2 . 6 04 . 1 7 4 34 3 2 05 . 1 22 9 . 1 24 . 1 8 4 . 4 6 5 0 01 5 . 3 93 9 . 3 94 . 2 54 . 7 4 6 8 02 6 . 7 35 0 . 7 34 . 415 . 2 4 8 0 03 5 a0 5 94 04 .6 25 . 8 4 表 2 .3 . f o r f / v a lu e ( i n ) 和f / v a lu e ( o u t ) 值在c z e m y - t u rn e r 结构中的 关系, 其中 光 栅 尺寸为6 8 x 6 8 m m , 1 8 0 0 g r / m m g r a t in g a n d l a = l b = f = 3 2 0 m m . d v = 2 4 c .2 像 放 大 率( m a g n if ic a t io n ) 对于任何一个光谱分析系统来说, 从光源成像于入射狭缝, 然后经系统出 射 狭缝输出的单色光或探测器分析, 或入射到样品表面。 这个过程将不可避免出现 从入射狭缝成像尺寸到出射狭缝成像尺寸的放大或缩小。其成像放大率定义为: i s ma g n i t i c a t i o n=1 1 - v il _ f / v a lu e _ , = ( n a ) in f / v a l u e , ( n a ) o u t 仅1 5 ) d . 分辨率 和带宽 分辨率和带宽通常用来表示光谱分析系统分辨相邻两条光谱线能力的一个 第二章 光栅光谱与c c d探测器 重要指标, 也是最通用的一个指标。 光谱分析的带宽是指能够被分辨的两条光谱 之间的间隔 ( b w ) , 这与许多因数有关, 包括光 栅宽 度、系统缺陷、 探测器的空 间分辨以 及入射和出射狭缝的宽度等。 如果有一个线状光谱光源,如图 2 . 1 1 所示,在整个波段范围内只有 场这样 一条光谱线, 我们使用一台理想的 完美单色光谱分析系统对其进行测量, 其结果 如图所示。 我们可以得到一个完美的没有线宽的线状光谱线。 但实际情况总偏离 理想状态, 由于各种因素的影响, 实际线状光谱被测量的结果如图所示, 这条线 状光谱成了一条有一定带宽的线状光谱曲线。 而该光谱分析系统的带宽分辨指标 就被定义为实际测量到的单色光的半高宽。 么fl 人 b 几! 日 入 图21 1 线状光源在不同情况下的光谱响应曲线 经傅立叶 数学分析,任何光谱结构都可被看作为是理想无线宽的不同 单色 光的叠加。 因此,对于实际 测得的光谱线的轮廓与理 想光谱线之间存在一定的 对应关 系。 我们令b ( x ) 为 待测光谱 线, f ( k ) 为 实际 测得的 光谱线, 而p ( x ) 为 光谱 分析系统对光谱线的影响因子,可得: f = b * p ( 2 . 1 5 ) 实际测得的光谱线为理想待测光谱线与影响因子的乘积,而影响因子p是 光学系统各种参量的函数,包括: 令 入射狭缝宽度 令 出 射狭缝宽度,或者像平面上阵列探测器象素的大小 个 衍射光栅的特性 今 系统缺陷 令 系统构成及其定标的质量 以 上 每一个因 子都可以 表示为 与波长入 有关的 独立函 数pi(,) , 如各因子间互 第二章 光栅光谱与c c d探侧器 不影响,则由 式2 . 1 5 可得系统对光谱线的最终影响因子可表示为: p ( x ) =p 1 ( k ,) * p 2 ( x ) * p 3 ( ? ) * . . . . * p n ( k )( 2 . 1 6 ) 2 . 1 . 4阵列探测器像素点位置与波长的关系 为提高探测效率, 可使用阵列式探测器代替传统的单道探测器, 在这样的光 谱分析系统中,必须要考虑到以 下两点因素: l . 焦平面与出 射面有可能不在同 一平面,两者之间存在一夹角 y 。因此,阵列 探测器的位置一定要放在其焦平面上,而不是在其光谱线的出射平面; 2 .线色散及其成像的大小在整个焦平面上是不相同的。 图2 . 1 2显示了 在 c z e m y - t u rn e r 结 构的 单色光谱系统中 焦平面与出 射 平面 的 夹角。 在对系统误差作矫正的 凹 型全息 光栅结 构中 , 倾 斜角丫 、 p h . l h 均为 标 准 参数与 光栅一起给出。 而对于c z e m y - t u rn e r 或者f a s t ie - e b e r t 结 构, 其光栅为 平面光栅, 不具有这样的 参数指标, 其所有的 成像光谱焦平面完全由 其两块凹面 镜决定。 因此, 对于这种类型的成像光谱系统, 寻找光谱成象的焦平面是至关重 要的。 在对这种光谱系统进行单波长定标后, 我们采用一已知光源的线状光谱线, 通过不断调 节探测器平面与出 射平面夹 角y , 直到 所有波长的 光谱线都出 现在每 个计算的标准象素之内。 卜 h - a . ,n 月 4 - h b x m , 州 ( b ) 入 。 . 。 图2 . 1 2阵列探测器位置与光栅夹角之间的关系 第三章 椭圆 偏振光谱测盆的实验模型 第三章.椭圆偏振光谱测量的实验模型 椭圆偏振光谱测量因为其非破坏和非接触的优点而成为一种应用非常广泛 的 光学探测方法, 可在大多数环境下 ( 如在大气、 真空和高温高压等条件下) 用于 样品的结构和光学性质研究, 被测材料可以是固体、 薄膜和液体等物质。 在近三 十年内, 椭圆偏振光谱方法被广泛应用于各种材料的基础光学性质研究、 结构和 成分分析,以及在先进光电子技术领域被用于检测纳米薄膜的生长厚度和质量, 实现生长过程的实时控制。 3 . 1 . 椭偏测量的基本原理 椭偏测量的 基本原理是基于偏振光照射样品后偏振态发生的改变。这种偏 振状态的改变可直接归结于样品的结构及其内察光学性质。 因此, 椭偏测量可同 时获得被测样品的光学性质、薄膜厚度以及结构和成分等信息。如用于半导体、 金属、 介质、 多孔材料、 纳米材料、 生物大分子薄膜、 l in b 0 3 双折射晶体等材料 的研究和分析。 在测量中, 利用一束 偏振状态已 知的 偏 振光波作为 探针, 使其与待测样品 ( 可 为体 或薄 膜材料) 相互作 用,导 致光 波的 偏振 状态发生改 变, 然后测量偏振状态 的终态, 并与偏振状态的初态进行比 较和分析, 从而获得有关材料的光学性质和 结构等信息。 在椭偏钡 1 量中, 被关心的主要是初态偏振光与终态偏振光两束光中 相互垂直的两个偏振电场分量的比值, 包括其振幅比和相位差, 不涉及到绝对光 强的测量, 因此使得椭偏测量具有很高的精度。 研究数据显示, 椭偏方法在厚度 测量上可精确到原子或分子层厚度的量级。 由于这些优点, 椭偏测量已 被广泛应 用于现代半导体工业中高品质薄膜生长过程的实时检测和控制。 假设各向同 性的 光学 样品 材料 被置于 测量光路中, 在p 或5 方向 偏振的 线 偏振 光入射到 样品 表面, 被反 射的 偏振光 将仍然是p 或s 偏振光。 也 就是 对于 各 向同 性材料, 入射到样品 上纯的p或s 光 被反 射后 仍只有纯的p 或s 偏振光成分, 其 反 射 系 数 可 分 别 表 示 为r p 和r . 。 对 于 任 意 偏 振 方 位 角 入 射的 偏 振 光, 总 可 将 其分解为沿p 和s 方向 上的 两束互相独立的 线偏振光, 但该两束不同 偏振态的 光 第三 章 椭圆 偏振光谱侧量的 实验模型 具 有不同 的 振 幅 假设 初始 入 射 光的 偏 振电 场 矢 量 分 别为e ip 和e js , 则 可 得 到反 射 光的电场矢量强度为 e ) = r , 凡 e . , =r , e 将方程3 . 1 式中两式相除, 的椭偏参数值: ( 3 . 1 ) 便可得到p 和s 光的电 场强度之比, 进而得到所预期 p = x , i x . = 介/ , ( 3 . 2 ) 其中 x , = e / e ,p x , = ei e p 由 方程3 .2 和3 .3 , 我们可得到p 和s 光的 复反 射系 数之比 值。 因 此 ( 3 . 3 ) 在椭偏 测量中, 实际上是 通过 测量 纯偏振态改 变来 测定 椭偏参数p , 并不是光强 或相位 的 绝对 值测量。 p 为复数, 包含了 可 用椭偏参数t和 表达的 两个

温馨提示

  • 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
  • 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
  • 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
  • 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
  • 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
  • 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
  • 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

评论

0/150

提交评论