專利名稱：一種橢圓偏振光譜儀的設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)電子儀器。
雖然對橢偏原理的了解和掌握已有一百多年歷史，但由于在應(yīng)用該原理時涉及到大量的三角函數(shù)計算，十分繁復(fù)，所以一直未被推廣。七十年代以前使用的簡易型橢偏儀都為單波長和單入射角形式，大都用于介質(zhì)膜的厚度測量，并未真正發(fā)揮橢偏原理的長處。1975年起，美國Bell實驗室的Aspnes博士利用當(dāng)時已推廣的微機處理技術(shù)，第一個設(shè)計和發(fā)展了動態(tài)型橢圓偏振光譜儀[參考文獻(1)D、E、Aspnes，Appl.Opt.4，220(1975)]，在該設(shè)計中，采用了如下程式光源→單色儀→P→樣品→A→探測器→計算其中起偏器P固定在某方位角，而檢偏器A作頻率為ω0的連續(xù)旋轉(zhuǎn)。由探測器得到的信號為I＝K0+K1cos2ω0t+K2sin2ω0t＝K0+KAcos(2ω0t+θ)式中的K0，K1和K2可以通過富利埃變換求得nnnK0=1/n∑Ii， K1=2/n∑Iicos2Ai， K2=2/n∑Iisin2Aii=1i=1i=1Ai＝(ω0t)i為采樣角度。
由于在設(shè)計中排除了任何色散元件，因此可用于橢偏光譜測量，已廣泛用于固體的光學(xué)性質(zhì)研究。經(jīng)過十多年的研究和努力，該方法已被工業(yè)界接納和采用。目前進入市場的幾種橢偏光譜儀都是以Aspnes的設(shè)計原理為基礎(chǔ)，如美國Rudolph公司生產(chǎn)的2000系列，和Gaertner公司生產(chǎn)的L120B等光譜儀。
但該方法存在二個明顯的缺點，一是需測量直流成份K0，而其中包含來自非信號源的背景成份。為了將其扣除，一般分二步測量，第一次將信號光擋住，測量其背景成份。第二步測量實際信號，再從中扣除第一部分。由于所采用的扣除技術(shù)不同，最后得到的信號也略有差別，因而影響了測量精度。另一是系統(tǒng)定標(biāo)十分繁瑣和費時[參考文獻(2)D.E.Aspnes，J.Opt.SOC.Am.64，812(1974)]。因此，利用上述方法實際得到的被測信號為I＝(K0+△K0)+KAcos(2ω0t+θ+△θ)式中△K0為背景直流成份，而△θ為由電子線路響應(yīng)，檢、起偏器的初始位置不確定引起的位相誤差，需要在實驗中給予校正。雖然為此已發(fā)展了定標(biāo)方法，但程序繁瑣，不易為工程人員掌握。
本發(fā)明就是針對上述缺點而進行改進的設(shè)計方法。本發(fā)明的設(shè)計原理為如下程式光源→單色儀→起偏器P0→起偏器P→樣品→檢測器A→探測器→計算由單色儀出來的單色光經(jīng)過兩個起偏器P0和P被樣品反射后光的偏振態(tài)的改變由檢偏器檢出后被送至探測器接收，最后的光電信號送至計算機算出相應(yīng)的光學(xué)常數(shù)。上述程式中起偏器P0固定為零度，而檢偏器A和起偏器P采用2∶1系數(shù)同步旋轉(zhuǎn)，使被檢測的光強信號中包含5個成份，即一個直流成份和4個交流成份(頻率分別為基頻，2倍頻，3倍頻和4倍頻)，而由這4個交流分量，可自洽求出完整的橢偏參數(shù)，其推導(dǎo)過程如下在S和P的坐標(biāo)系內(nèi)，以S軸為參照系，設(shè)置P0＝0，由于P和A同步旋轉(zhuǎn)，因此，最后的出射電場為
式中
s和
p分別是樣品的復(fù)反射系數(shù)。進一步當(dāng)A＝2P＝ω0t時，由探測器測到的光強為I＝ηE2F
＝I0+I1cosω0t+I2cos2ω0t+I3cos3ω0t+I4cos4ω0t式中I0＝1/4η(7+3p20-2p0cos△)I1＝η(3-p0cos△)I2＝η(2-p20)I3＝η(1+P0cos△)I4＝1/4η(1+p20+2p0cos△)式中η是任意因子，因此，可解得ρ0=［ 2(I1+I3-2I2) ］1/2(I1+I3)1/2(1) Cos △ =(3I3-I1)［2(I1+I3)(I1+I3-2I2) ］1/2]]>或者ρ0=［ 9(I1+I3-2I2) ］1/2［2(4I4+2I1+I2) ］1/2Cos △ =［ 4(4I4+I2)-3(I1+I3) ］［8(I1+I3)(I1+I3-2I2) ］1/2(2)]]>p0和△的定義為p＝p0ei△＝
p/
s
而I1，I2，I3和I4可通過富利埃變換算出IK=2/nΣi = 1nIiCos(KAi)]]>K＝1，2，3，4，Ai＝(ω0t)i為信號采樣角度。
上述(1)和(2)可分別用來計算p0和△，并同時檢驗系統(tǒng)的自洽性，系統(tǒng)可根據(jù)P＝0和A＝90°，或P＝90°和A＝0時，總光強I達最小值的條件定標(biāo)，十分可靠和方便，樣品的光學(xué)常數(shù)可進一步算出
＝Sin2φ+Sin2φtan2φ( (1-ρ)/(1+ρ) )2式中，
是材料復(fù)光學(xué)折射率，
是復(fù)介電函數(shù)，φ是光入射角，并進而求得樣品的吸收系數(shù)α和反射率R分別為α＝4πK/λ，R=(1-n)2+K2(1+n)2+K2]]>式中λ為光的波長。
本方法的實施方案如下由鎢燈或氙燈出來的光經(jīng)單色儀后成為單色光，準(zhǔn)直后穿過偏振器P0和P入射到樣品，反射后的光穿過檢偏器后被探測器檢測。P0固定在零度(垂直于入射面)，P和A的起始旋轉(zhuǎn)位置也為零度，同步轉(zhuǎn)速為A＝2P。P和A分別直接被固定在2個細分步進馬達的軸上，軸被加工成空心，可讓探測光直接從中穿過。光學(xué)機構(gòu)中無任何機械傳動件，使儀器系統(tǒng)簡單和可靠。
利用本方法設(shè)計的橢圓偏振光譜儀的特點為系統(tǒng)實現(xiàn)自我定標(biāo)，定標(biāo)概念清楚，簡便易行，對光學(xué)常數(shù)作絕對測量。入射角連續(xù)可變，分辨率為0.010。入射角和波長自動掃描，數(shù)據(jù)自動采集，分析、計算。整個測量過程可由一臺微型計算機實現(xiàn)全自動控制。由于計算不包括直流分量及其位相，因此避免了通常因測量和分析直流成份及其位相引起的麻煩和定標(biāo)誤差。系統(tǒng)實現(xiàn)了自我絕對定標(biāo)和快速準(zhǔn)確測量的目的，獲得了高質(zhì)量的實驗數(shù)據(jù)，(實驗數(shù)據(jù)的自洽度優(yōu)于0.5%)，具有準(zhǔn)確、靈敏和實時快速的優(yōu)點。
權(quán)利要求
1.一種采用如下程式設(shè)計的橢圓偏振光譜儀的設(shè)計方法。光源→單色儀→起偏器Px→樣品→檢偏器A→探測器→計算，上述程式中，起偏器Px被固定在某方位角，檢偏器A作頻率為ω連續(xù)旋轉(zhuǎn)，由探測器得到的信號為I=K0+K1cos2ωt+K2sin2ωt=K0+KAcos(2ωt+θ)上述中，K0，K1和K2可通過富利埃變換求得nn nK0=1/n∑Ii， K1=2/n∑Iicos2Ai， K2=2/n∑Iisin2Aii=1 i=1i=1其中Ai=(ω0t)i為信號采樣角度。其特征在于，上述的起偏器Px采用兩個起偏器P0和P其中起偏器P0固定，檢偏器A與起偏器P采用2∶1系數(shù)同步轉(zhuǎn)動。使得由探測器得到的信號為I=I0+I1cosω0t+I2cos2ω0t+I3cos3ω0t+I4cos4ω0tn其中Ik=2/n∑Iicos(KAi) K=1，2，3，4i=1Ai=(ω0t)i為信號采樣角度。通過富利埃變換檢測出上式中4個交流成份，由該4個交流分量的不同組合可自洽求出完整的橢偏參數(shù)。
全文摘要
傳統(tǒng)模式下的橢圓偏振光譜儀的設(shè)計方法均采用單只起偏器，且僅由檢偏器作連續(xù)轉(zhuǎn)動。本發(fā)明采用二個起偏器，其中一個起偏器固定，而檢偏器和第二個起偏器采用2∶1系數(shù)同步轉(zhuǎn)動，使得由探測器得到的信號為I＝I通過富利埃變換檢測上式中4個交流成分，即可自洽求出完整的橢偏參數(shù)。采用本發(fā)明制造的橢圓偏振光譜儀，測量過程簡單，數(shù)據(jù)精度高，自我定標(biāo)方便，具有準(zhǔn)確、靈敏和實時快速的優(yōu)點。
文檔編號G01J3/447GK1076275SQ9311236
公開日1993年9月15日 申請日期1993年3月12日 優(yōu)先權(quán)日1993年3月12日
發(fā)明者陳良堯, 錢佑華, 馮星偉, 蘇毅 申請人:復(fù)旦大學(xué)