9-用椭园偏振仪测量透明薄膜.doc

实验九 用椭圆偏振仪测量透明薄膜厚度和折射率椭圆偏振光测量方法是一种光学薄膜参数测量常用的专门方法。这种方法早在1930年就已经产生，因为当时计算技术的限制，所以发展较慢。随着计算机的出现及计算技术的发展，现已得到了广泛的应用。它可以测量介质膜、有机膜、半导体膜的折射率、消光系数、厚度等。而且这种方法测量精度高，对样品表面无损伤。对超薄膜（可达10 以下）同样具有很高的灵敏度。如果椭圆偏振仪的起偏器和检偏器回转角有0.01度的精度时，则膜厚0.07 的变化也可能被检测出来。所以在薄膜物理及固体物理研究中，它都是一种有效的方法。【实验目的】1 了解偏振法测量薄膜参数的基本原理。2 了解激光椭圆偏振仪的结构，学会正确的调节和使用。3 用椭圆偏振仪测量透明薄膜的厚度和折射率。【实验原理】pssp 若有一偏振光在样品表面反射，如图（1），我们可以将其分解成为在二个互相垂直方向上的分量波：振动面平行入射面的线偏振光称P波，振动面垂直入射面的线偏振光称S波。图1在界面1和界面2 菲涅尔反射系数分别为： (1) (2) (3) (4)其中n。为空气折射率（n。=1.0），n为膜折射率，ns为衬底折射率（可以是复数折射率）。为入射角。、1、2有如下关系： (5)而相邻两反射光之间的光程差为： (6)上式中d为薄膜的厚度，因此相邻两反射光的位相差为： (7)根据（5）式可得： (8)上式中是光在真空中的波长，d为膜层厚度。由此可知，在入射角。确定的条件下，位相差仅依赖于膜的厚度d。从图（1）可以知道，总反射系数实际上是多光束干涉结果。根据斯托克斯倒逆关系有： （分别是光从界面2射向1时的反射系数和透射系数） 总反射系数为： （9） (10)为使理论分析和实验测定方便，我们在椭偏法中定义； (11) 即： (12) (13)上式中tg是相对振幅衰减，是P波和S波间的位相差经系统反射后发生的变化。 由（1）式知，是入射媒质折射率、膜层折射率和厚度、基片折射率、入射角、波长的函数。即：上式中除n.d是未知外，其余都是已知的。所以只要确定、后，就可以解出n.d。而、正是可以用椭偏仪测量的量，由测量的参数、来定出薄膜的厚度d和折射率n。当我们选定入射角。、光波波长（如氦氖激光波长入=6328 ），薄膜衬底折射率ns这三个参量，则就可以由和这二个方程解出d和n。实际上由tg和求解n和d的过程是十分复杂的，甚至得不到清晰的表达式。所以要通过计算机来求解。而现在已经有人做了这工作，用计算机求解列表，实验中只要测定和后在表上查一下即可得出对应的n和d。椭圆偏振仪测量椭偏状态变化参数和从原理上有二种类型，一类是消光型，即以寻求输出最小光强位置为主要步骤的椭偏仪。另一类是光度型、以测定、分析输出光强度变化为目的的椭偏仪。而我们所用的是属于消光型椭偏仪。其光路如图（2）123456 1. 起偏器P 2.1/4波片Q 3.检偏器A 4.白屏 5.被测膜层S 6.基片（材料kg） 图2 内腔式氦氖激光器发出波长为6328 的激光束，该光束经起偏器后变成线偏振光，偏振光的偏振方向由起偏器方位角决定，转动起偏器可以改变光束的偏振方向。该线偏振光经过波片后，由于晶体双折射现象o光和e光产生相差，二者的偏振方向互相垂直（对正晶体波片、o光沿快轴方向偏振，e光沿慢轴方向偏振，对负晶体波片，则相反），所以o光e光合成为椭圆偏振光，椭园偏振光的椭圆长短轴沿着波片的快慢轴，而椭圆形状（椭圆率）由射入波片的线偏振光的偏振方向决定。当椭圆偏振光以一定的入射角（本实验以70角入射）射到样品表面后，经过样品表面和多层解质（一般为衬底解质膜空气）的来回反射和折射。总的反射光束一般仍为椭圆偏振光。但随着薄膜厚度d和折射率的不同，反射光的偏振状态也不同。通过转动起偏器，找到某个起偏器的方位角，使反射光变为线偏振光，而转动检偏器的方位角使之与样品上反射光的偏振方向垂直时，即实现消光。这样就可以由消光时起偏器，补偿器（波片）和检偏器的方位角来确定椭圆偏振参数和。 为了使实验中计算简化，如果使rp/rS=1,即=45，即只要将波片主方向恒为45，此时，椭圆偏振光分解在P和S方向上的两分量振幅比恒等于1。当样品反射后，其对应的分量必然分别与rp和rs成正比。而tg=rp /rs,故反射偏振光与S分量的夹角就等于。当检偏器A的透光方位与它正交时，仪器达到消光。如图（3）SAPAPS 图3由上图知，二种消光情况下，检偏器方位角A与的关系对应有： =A1 =180-A2同样，将波片置于-45，同样得二组消光位置： =A3 =180-A4 由图（3）知，波片快轴固定在=45的方向上时，tg=1。而起偏器方位角与入射到样品表面的椭偏光中P波和S波的位相差有以下关系： =270-2P1 =90-2P2 P2=P1+90同理：波片置-45时，也有： =2P3-270 =2P4-90式中P为起偏器读数。由上面讨论，我们知道对透明基片上的透明薄膜，一对（、）的读数唯一的对应于一组（n、d）。所以我们可以根据实验中测得的一组（、），通过计算来唯一的确定n和d。我们已经知道（、）和起偏器P及检偏器A的读数关系： =A1 =270-2P1 =180-A2 =90-2P2 （波片置快轴45） =A3 =2P3-270 =180-A4 =2P4-90 （波片直快轴-45）要计算n、d，只需一组即可完成。但为了减小系统误差，可以采用四点测量法，即将 波片置快轴45，则二组，置-45时，测二组，然后用平均值A和P去查A值数表和P值数表，即可得出相应的d和n。我们考虑A值和P值在0180范围内，将上面公式经换算后得： A1-90=A（1） P1 =P（1） 90-A2=A（2） P2+90=P（2） A3-90=A（3） 270-P3=P（3） 90-A4=A（4） 180-P4=P（4） =A（1）+A（2）+A（3）+A（4）4 =P（1）+P（2）+P（3）+P（4）4上式中若出现大于180的值时应减去180后再换算。【实验仪器】 我们使用的椭偏仪是浙江光学仪器厂生产的WJZ型多功能激光椭圆偏振仪，如图（4）图412345678910 1、He-Ne激光管 2、小孔光 3、平行光管 4、起偏器读数 5、波片读数头 6、被测样品 7、裁物台 8、检偏器读数头 9、望远镜筒 10、白屏目镜在使用前应对仪器进行调整。其步骤如下：1、 水平度盘的调整：（1） 调整望远镜与平行光管同轴。（2） 将水平度盘对准零位。2、 调整栽物台与游标盘的旋转轴，使之垂直望远镜的光轴。3、 检偏器读数头位置的调整与固定（1） 打开氦氖激光器开关，使激光束通过小孔光栏和检偏器中心（此时起偏器不要装上），将检偏器读数头90读数朝上，位置居中。（2） 将黑色反光镜置于装物台中央，将望远镜转过66（与平行光管成114夹角），使激光束按布儒斯特角（约57）入射到黑色反光镜表面，使反射光在白屏上成为一个圆点。（3） 调整检偏器读数头与望远镜筒的相对位置（此时检偏器读数保持不变，即90位置），使白屏上光点最暗，这时检偏器的透光轴一定平行于入射面，将此时检偏器读数头位置固定下来（拧紧三颗平头螺丝）。4、 起偏器读数头的调整：（1） 取下黑色反光镜，将起偏器读数头套在平行光管镜筒上（此时波片不要装上），使其读数0朝上，位置居中。（2）将望远镜转回原来位置，使检偏器和起偏器共轴，使激光束通过中心。（3）调整起偏器读数头与本行光管的相对位置（此时起偏器读数应保持不变，即0位置），找出最暗位置。定此值为起偏器读数头零点位置，并将其位置固定（拧紧三颗平行头螺丝）。5、 波片零位的调整：（1） 起偏器读数保持0，检偏器读数保持90，此时白屏上光点最暗。（2） 将波片读数头（即内刻度圈对准零位）。（3） 将波片框的红点（即快轴方向记号）向上，套在内刻度圈上，并