椭偏光测薄膜厚度和折射率.doc

云南大学物理实验教学中心实验报告课程名称:     近代物理实验      实验项目:  椭偏光测薄膜厚度和折射率                                 学生姓名: 朱江醒   学号:20051050148  物理科学技术学院物理系2005级数理基础科学专业成绩   指导教师: 何俊    实验时间:2007年10月21日8时30分至12时30分实验地点:    四合院         实验类型:教学(演示□验证□ 综合□ 设计□)学生科研□课外开放□  测试□   其它□一、实验目的:1、学会一种较为准确、简便测量透明介质膜厚度和折射率以及金属复折射率的方法;2、进一步掌握光的偏振、反射、折射、干涉等经典物理光学理论。二、实验原理:设有硅片表面上覆盖均匀透明的同性薄膜系统,入射角为,和为薄膜和衬底的折射角,为空气折射率,为薄膜折射率,为衬底复折射率(见图1)。图1入射光在两个界面来回反射和折射,总反射光由多束光合成。把光的电矢量和磁矢量各分为两个分量,把光波在入射面上的分量称为P分量或P波,垂直面射入的叫S分量或S波。定义表征反射波对入射波的相对振幅的变化。表征经反射系统后P波和S波的相位差变化。表示光中P波和S波的相位。由光学知识可得反射系数比为和表示入射光P波和S波的振幅。和表示反射光P波和S波的振幅。此式称为椭圆偏振方程,它表示薄膜厚度和折射率与光偏振状态的变化之间的关系。薄膜厚度和折射率的测量归结为反射系数比的测量。椭圆偏振光法测膜厚和折射率的基本原理就是由实验测得和,再由以上关系定出膜厚和折射率。然而解上述方程是很繁琐的,通常用计算机来完成。在、、、确定后,用计算机编制各种与的关系表,或绘制成~关系曲线。在测得样品的值后,从图中查出对应的和,则由方程可算出膜厚为了简化计算, 可使入射的椭圆偏振光的主轴成倾斜(从入射面算起)。这样当反射光变成振幅比为的直线偏振光时,有或则可见,只与反射光的振幅比有关,可从检偏器的方位角算出。这时可见只与反射光的P波、S波的相位差有关,可从起偏器的方位角算出。三、实验仪器:反射式椭圆偏振仪又称为表面椭偏仪,其基本原理是将激光器发出的光变成椭圆偏振光,投射到样品表面,观测反射光偏振状态的变化(包括振幅和位相),从而定出样品上膜层的厚度和折射率。该仪器采用波长为6328的He-Ne激光器作为单色光源。入射角和反射角均可在内自调由调节,因此可用于改变入射角的某些测量值。应该注意以下几点:1)起偏器零点调整——将激光光源透过起偏器入射到样品台上的普通玻璃上,使入射角为(布鲁斯特角),转动起片器使光点最弱(消光)。2)检器零点调整——将激光管、起偏器和检偏器的光路成一直线,使光透到光屏上,起偏器刻度指示到,再转动检偏器使光点消光。3)1/4波片主轴调整——以1)、2)的零点为准,将起偏器转至,检偏器转至,得到消光位置。四、注意事项:1、必须先用目视法充分消光后,才能进行测量;2、由于样品表面的反射,在光屏上有时可能出现两个光点,调节消光时,有明暗变化的为主光点,副光点可以不管;3、波长片一般情况下不允许转动,以免造成测量误差;4、仪器应放在光线较暗、湿度低的室内使用。五、实验内容:(一)样品本实验待测样品有三种:1、在硅衬底上生长的膜;2、在玻璃衬底上蒸镀的一层膜;3、表面经过研磨和抛光的钢块。前两种徉品,膜的拆射率均为实数,要求测出折射率及厚度(实验室给出的徉品,膜厚约为儿百埃到一千埃左右)。对第三种徉品,要求测出其复折射率的实部和虚部。(二)(调节方法参照仪器说明书),以确保:祥品上反射的光在观察窗中呈现为完整的圆形亮斑;当转动样品台时,亮斑不要转动或出现残缺;当转动P和A两个角度调节按钮时,对应于消光状态和非消光状态,圆斑亮度要有非常明显的变化。—800V。适当择弱电流放大器的灵敏度,反复仔细调节P和A使光电流达到极小值。注意保护光电倍增管。当光电流已达到极小值时,先把图3所示的转换旋钮拨至观察窗位置再去读取P和A的数值。,应在和两个不同的消光位置分别反复测量几次。根测量结果求和的平均值。-Ne激光电源的输出光功率应该是稳定的,一般He-Ne激光管点亮后需要稳定半小时再进行测量。(三)完成实验: 实验指导教师签名学生签名 实验指导老师填写1、实验记录是否完整准确□2、有无涂改抄袭现象□     、误差分析及改进1、下列几种因素均会使实验结果产生误差:(