椭偏仪的应用领域及其原理介绍.doc

:采用现代光学方法可对许多固体材料的宏观和微观物理性质进行深入研究,其中,最直接的方法就是测量各种固体材料的光学常数随光子能量或波长的变化关系,从而与微观机理相联系,来认识和理解光与物质相互作用的本质。因此,在凝聚态光学性质研究领域,已发展出多种方法用于光学常数的准确测量。光学椭圆偏振方法是现在应用最多的一种。主要应用在材料研究、工艺发展以及制造在线控制等领域。在材料研究中主要应用于各种信息功能材料和器件的光学常数测量和光谱学特性分析包括薄膜材料的表面、界面特性、厚度、粗糙度的分析;以及对信息功能材料、合金、晶体、及渐变材料的组份进行测量和分析。其测量对象包括金属、半导体、超导体、绝缘体、非晶体、超晶格、磁性材料、薄膜材料、光盘材料、电光材料、非线形材料以及各向异性材料和双折射晶体等。椭偏光谱实验系统主要有两种模式,消光式和光度式。消光式椭偏系统在弱信号和背景噪声较大的红外光谱区较难实现,且检测速度较慢,自动话集成非常困难,现在的椭偏系统基本上不采用该种方法。光度式椭偏系统采用了对光强随偏振状态或相位的改变,采用傅立叶分析的,能够快速和准确地测得椭偏参数。目前,光度型椭偏实验系统有旋转起偏器(RAP,旋转检偏器(RAE,以及JobinYvon公司采用的相位调制等方式,已经成为研究各种材料光学性质的重要工具和手段椭偏测量的基本原理是利用一束已知偏振状态的偏振光波作为探针与待测光学样品相互发生作用,这种相互作用将改变光波的偏振状态,测量偏振状态的终态并将其与偏振状态的初态相比较并分析从而得到材料的光学性质。其椭偏参数的基本方程为:∆∆∆=Ψ===iispsprrrreetan(e~0iρρ式中ψ和∆是椭偏参数,tanψ和分别为反射系数p和s分量的振幅比和位相差。下图显示了光度式旋转偏振片方式测量的椭偏仪的基本原理,图中Polarize和Analyzer分别为可旋转的起偏器和固定的检偏器,Polarize的初始方位角垂直于入射面,Analyzer的方位角被固定在与入射面成45度。在测量中,Polarize以ω0速度旋转。从起偏器Polarize出射的偏振光入射到样品表面,入射角为φ,偏振面不断旋转的探测光被样品反射后其偏振态发生了改变,再经过检偏器Analyzer,最后的光信号由探测器检测和分析。若起偏器和检偏器与s光方向的夹角分别为P和A,进入探测器的光的电场强度可用下式表示[],sinsin~coscos~(01cossinsincos~00~cossinsincos0100EPArPArEPPPPrrAAAAEpspsf+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡−⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡−=其中sr~和pr~分别是样品相对于垂直入射面(s光方向和平行于入射面(p光方向分量的复反射系数,则探测器接收到的光强可表示为:PIPIII2sin+2cos+=210根据上式中的三个分量就可以计算出椭偏参数ρ0和cos∆,2120210100(cos((IIIIIII−=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+−=∆ρ上图是JobinYvon公司独有的相位调制椭圆偏振光谱仪的示意图,从光源出射的全波段光谱通过光纤进入起偏器(Polarizer)入射到样品后反射经过相位调制器(PhaseModulator和检偏器(Analyzer)后进入单色仪进行分光扫谱后进入探测器,光通过相位调制器后其相位发生改变:N-N2=10πδ,若该电光调制的相位调制器的相位调制频率为,则其相位改变将随时间而变化,形式如下:δπλωω(t=2N-Nsint=sint01A,对于整个系统,根据琼斯矩阵可得最后光场强度Et=T(ARASRMMRP-MPEi则探测器探测到的最终光强可表示为:I(t=EtEt*=I[I0+ISsin(t+os(t] 由以上两个方程,我们可以得到I的三个分量分别为:I0=1-cos2Ψcos2A+cos2(P-Mcos2M(cos2A-cos2Ψ+cos2(P-Msin2Asin2Msin2Ψcos∆IS=sin2(P-Msin2Asin2Ψsin∆IC=sin2(P-M[sin2M(cos2Ψ-cos2A+sin2Acos2Msin2Ψcos∆]由上式可见,通过对P,M,A角度的设置来达到不同的配置而得到不同的测量结果,在测量过程中设置P-M=45°,A=45°当M=0则IS=sin2Ψsin∆IC=sin2Ψcos∆当M=45°则IS=sin2Ψsin∆IC=cos2Ψ通过Is和Ic从而得到椭偏参数Ψ和∆在挑选购买光谱仪器时,我们自然会想到有着180年光学元件和光栅生产及相应光谱仪制造历史的――法国JobinYvon公司。正是其在光谱仪核心部件的研制及整机制造方面的独到技术,保证并推动了光谱测量技术的不断发展,对现代科技的进步做出了重要的贡献。成