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椭偏仪测量薄膜厚度和折射率院系：04级6系 学号：PB04210071 姓名：高盛华 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.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) 界面1 折射率n1 薄膜 折射率n2 界面2 折射率n3 这里我们用2表示相邻两分波的相位差,其中=,用r1p、 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: 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 分别代表反射光波电矢量的p分量和s分量.现将上述Eip、Eis 、Erp、Ers 四个量写成一个量G,即: = (3) 我们定义G为反射系数比，它应为一个复数，可用和表示它的模和幅角.上述公式的过程量转换可由菲涅耳公式和折射公式给出: G是变量n1、n2、n3、d、的函数( 、可用表示 ) ,即, , 称和为椭偏参数,上述复数方程表示两个等式方程: 的实数部分=的实数部分 的虚数部分=的虚数部分若能从实验测出和的话,原则上可以解出n2和d (n1、n3、已知),根据公式(4)(9),推导出和与r1p、r1s、r2p、r2s、和的关系:1/2 (10) (11)由上式经计算机运算,可制作数表或计算程序. 这就是椭偏仪测量薄膜的基本原理.若d是已知,n2为复数的话,也可求出n2的实部和虚部.那么，在实验中是如何测定和的呢？现用复数形式表示入射光和反射光 (12)由式(3)和(12)，得：G= (13)其中: , = (14) 这时需测四个量，即分别测入射光中的两分量振幅比和相位差及反射光中的两分量振幅比和相位差，如设法使入射光为等幅椭偏光，则；对于相位角，有： (14)因为入射光连续可调，调整仪器，使反射光成为线偏光，即=0或（），则或，可见只与反射光的p波和s波的相位差有关，可从起偏器的方位角算出.对于特定的膜, 是定值,只要改变入射光两分量的相位差,肯定会找到特定值使反射光成线偏光, =0或（）.四、实际检测方法等幅椭圆偏振光的获得(实验光路如图1-2) a.平面偏振光通过四分之一波片,使得具有/4相位差. b.使入射光的振动平面和四分之一波片的主截面成450.反射光的检测 将四分之一波片置于其快轴方向f与x方向的夹角为的方位,E0为通过起偏器后的电矢量,P为E0与x方向间的夹角.,通过四分之一波片后, E0沿快轴的分量与沿慢轴的分量比较,相位上超前. 在x轴、y轴上的分量为: 由于x轴在入射面内,而y轴与入射面垂直,故Ex就是Eip,Ey就是Eis. 图1-3 由此可见,当时,入射光的两分量的振幅均为,它们之间的相位差为 ,改变P的数值可得到相位差连续可变的等幅椭圆偏振光.这一结果写成: , 同理, 当时,入射光的两分量的振幅也为,相位差为.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,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和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.使用仪器 椭偏仪平台及配件 、He-Ne激光器及电源 、起偏器 、检偏器 、四分之一波片等.实验数据 A182.0度P116.8度A2107.0度P2108.0度A3102.0度P3344.0度A478.0度P477.2度注：试验中，对于角度大于180度，计算时减去180度。试验结果： 经计算机程序计算，得： 薄膜厚度121nm 折射率2.23误差分析：1：本实验最大的误差来源于对于消光位置的的判定。试验中，消光位很难找到。虽经多次调节光路及老师的帮助，最后确定后，消光也很不明显，直接影响了试验的精度。2：由于本实验中，各种状态的判定，均靠人眼睛判断：如样本台是否水平、何时消光、起偏器和反偏器在什么位置时，光线最暗等，使得误差的存在。3：由于试验中仪器精度的原因，以及光学仪器表面不洁净，可使实验产生误差。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，但还是会产生误差。思考题 1. 波片的作用是什么？答：光通过1/4波片之后，变成等幅椭圆偏振光，使得，使得变为，计算可以大大的简化 2. 椭偏光法测量薄膜厚度的基本原理是什么？参见预习报告中的实验原理；3. 用反射型椭偏仪测量薄膜厚度时，对样品的制备有什么要求？ 答：样本表面的薄膜要各向同性，薄厚均匀透明。4. 为了使实验更加便于操作及测量的准确性，你认为该实验中哪些地方需要改进？答：1）由于靠人眼判断什么时候消光比较困难，可以在末端安装光电接收电流表，通过电流表的读数，判断消光位置，使得测量简便准确。2）调节载物台水平时用水平仪。实验小结：（1）本实验是光学实验。对于光学试验，最为重要得是光路的调节，光路的调节准确与否，直接影响了试验的精度。因此，要准确调节光路。在安装起偏器和反偏器以后，都要看一看是否依旧保持光线同轴。同时，由于光学仪器本身的精密性，严禁用手触摸。还要轻拿轻放。（2）学习本实验中简化问题的方法。从实验原理看，本实验中，实际计算的量很多，而且需要求解很烦的超越方程。但通