椭偏仪测量薄膜厚度和折射率

1、椭偏仪测量薄膜厚度和折射率实验目的: 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) 介质n1 界面1 薄膜n2 界面2 衬底n3 图 1-1 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

2、算可知: (1) (2) 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)

3、,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

4、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（）.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 图1-2 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

5、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.数据记录及处理:波片置的位置:108.59682.0 4.0， 波片置的位置:100.5154.073.060.0 将上面数据输入计算机内得到d和n如下:厚度为：d122nm,折射率为：n=2.29误差分析:1. 主观误差.此类误差在本实验中是引起误差的主要因素,因为在判断光斑亮度时完全依据人眼去判断而无具体可测指标，故在判断消光时，靠人眼分辨不是很准确，而实验中又多次要用观察，因此产生很

6、大误差。2. 客观误差.囿于实验仪器精度和磨损,故不可避免的会引起误差.而且由程序拟合结果必然存在误差。实验总结：本实验时，由于样品上表面及下表面均有反射光，所以在判断消光时，放大镜中出现两个亮斑，一个为样品所反射的光，另一个为玻璃衬底反射光。根据光路可知，应使靠近身体一侧的亮斑消光。思考题: 1. 波片的作用是什么？答: 波片的作用是使线偏振光通过玻片后可以变成圆偏振光 2. 椭偏光法测量薄膜厚度的基本原理是什么？答:基本原理如下: 让一束椭圆偏振光以一定入射角入射到薄膜系统表面,经反射后,反射光束的偏振状态 会发生变化,而这种变化与薄膜的厚度和折射率有关,因此只要能测量出偏振状态的变化量就 能定出薄膜的厚度和折射率.3. 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: 在判断消光时，由于每个人的判断标准不同，所以容易产生误差。而且长时间的观察时眼睛观察能力下降，不易判断消光现象。可以考虑在判断光斑强度时采用带读数的感光器使判断更加准确.4. 用反射型椭偏仪