南京大学近代物理实验2014版

1、椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率引言椭圆偏振测量(椭偏术)是研究两媒质界面或薄膜中发生的现象及其特性的一种光学方法， 其原理是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射时出现的偏振变换。椭圆偏振测量的 应用范围很广，如半导体、光学掩膜、圆晶、金属、介电薄膜、玻璃或镀膜)、激光反射镜、 大面积光学膜、有机薄膜等，也可用于介电、非晶半导体、聚合物薄膜、用于薄膜生长过程 的实时监测等测量。结合计算机后，具有可手动改变入射角度、实时测量、快速数据获取等 优点。实验目的了解椭偏光法测量原理和实验方法。熟悉椭偏仪器的结构和调试方法。测量介质薄膜样品的厚度和折射率。实验原理在一光学材料上镀各向同性的单层介质膜后，

2、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)图(1-1)这里我们用26表示相邻两分波的相位差，其中6 =2n dn2cosq 2/入，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：r +怎/卯 77_1J M77乙代，_-i 2S %1 +匕仁淑(3)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

3、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：G =位姆E. IE. ip M我们定义G为反射系数比，它应为一个复数，可用tgw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： TOC o 1-5 h z rlp =2 COS (px COS ) /( 2 COS 朝1+ 冉cw (p2)(4)r2p =(理3 cos - coscos w 2 cos ) (5)=(打 i cos 呼i 一 cos wj) /(w1 cos 何+ 卸 q cos 球 Q 6) r2s = (2 cos -理cos 贵/(2 coscos tpQ (

4、7)28 = 4筮血 z cos / 2(8)如 cos 2 cos (p2 = h cos 呼3(9)G是变量n1、n2、n3、d、入、中1的函数2、中3可用？ 1表示)，即甲=tg-1f， =argl f I，称甲和为椭偏参数，上述复数方程表示两个等式方程： tg e iA 的实数部分=% + %厂珈匕+件1 + %次潴1 +上件9的实数部分tg e iA 的虚数部分=匕七+ W而 1+%弓/游1+匕京淄的虚数部分若能从实验测出甲和的话，原则上可以解出n2和d (n1、n3、入迎1已知)，根据公式(4)(9)，推导出甲和与r1p、r1s、r2p、r2s、和0的关系：十水疽却+疽切+叫/芬河

5、密1 +己己+2匕&河28艳电=,二二%J (10)1+ r pr 2P + 2#弓p cos2(5 r h + r 2； + 2/2j cos2(5(11)A + -1火 -NS+ -1-r2j(l-r2h)sin2(5A = lP : LP :% (1 + r22P) + r2p (1 + r2i)cos2(5 rb(l + 厂气)+ 么 Q + +七)cos2(5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p和乙的 呢？现用复数形式表示入射光和反射光：YS由式(3)和(12)，得:

6、G=tg阅也=，( Ap -月*) - 3整-属5)t-(13) IEE IE其中:(14)ja _ M3罕-房J-3乎-愿)E- E IE 知7 %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，Eip/Eis = 1，则tgp =IErp/Ersl；对于相位角，有：A =(凡?-久)-(园-久)n A + 月争-凡=月中-久)因为入射光8 ip-8 is连续可调，调整仪器，使反射光成为线偏光，即3 rp书rs=0或(n )，则 =-(8 ip-8 is)或乙=n -(8 ip-8 is)，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(8 ip-8 is)， 肯定会找到特定值使反射光成线偏光，8 rp-8 rs=0或(n )。2.1实际检测方法等幅椭圆偏振光的获得(实验光路如图1-2)，平面偏振光诵过四分之一波片，使得具有 土n /4相位差，使入射光的振动平面和四分之一波片的主截面成45。图1-22.2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a为n /4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，相位上超前口 /2。研=甘*门8沱-当J u40