反射式RAP型橢圓偏振光譜儀及其應(yīng)用

在實驗系統(tǒng)中，探測器暗電流對直流信號產(chǎn)生影響，因此單一旋轉(zhuǎn)起偏器或檢偏器的橢偏儀在測量過程中需對直流信號做特殊處理。由式(23)、(24) 可知，RAP 型的橢偏儀可克服該困難，測量橢偏參數(shù)和不需要測量光強信號的直流分量，只要測量交流分量即可，提高了系統(tǒng)測量的精度。同時，式(23)和(24)均可計算出橢偏參數(shù)，可用于系統(tǒng)自洽檢驗。實測數(shù)據(jù)表明本實驗 系統(tǒng)在可 見光范圍內(nèi)其自洽性優(yōu)于1% 。

4 實驗應(yīng)用

(1) 馬呂斯定律驗證實驗。對于反射式 RAP 型橢偏儀，其測量的核心手段是旋轉(zhuǎn)檢偏器并記錄反射光光強隨檢偏器轉(zhuǎn)動角度變化的規(guī)律，并由此計算反射光的偏振狀態(tài)。為了讓學(xué)生對此有直觀的認(rèn)識，首先設(shè)計一項準(zhǔn)備實驗。探測光不經(jīng)樣品反射，僅旋轉(zhuǎn)起偏器或檢偏器，觀察光強變化形式并驗證馬呂斯定律。

根據(jù)馬呂斯定律，如果線偏振光的振動面與起偏器(或檢偏器)的方位角(即透光方向)的夾角為θ時，其強度為 I0的線偏振光通過起偏器(或檢偏器)后光強為:I = I0cos2θ。由實驗控制程序發(fā)出命令，控制起偏器 P 與檢偏器 A 分別單獨旋轉(zhuǎn)，收集探測器接收到的光電壓，記錄光強隨探測光振動面與偏振片方位角夾角的變化。實驗結(jié)果如圖 3 所示。

以上實驗數(shù)據(jù)表明，實驗過程中馬呂斯定律 I =I0cos2θ 成立，實驗系統(tǒng)對于起偏器與檢偏器的轉(zhuǎn)動控制良好。

(2) 樣品參數(shù)測量實驗。作為橢偏儀的另一應(yīng)用實例，在室溫下，使用該系統(tǒng)對一標(biāo)準(zhǔn)硅片樣品進(jìn)行測量，探測并計算其主要光學(xué)參數(shù):復(fù)折射率的實部 n、虛部 k、復(fù)介電常數(shù)的實部 ε1、虛部 ε2、反射率 R 及吸收系數(shù) α?？刂破鹌髋c檢偏器以 A = 2P 的速度轉(zhuǎn)動，并探測光強。由式(22)、(23)(或(24))計算橢偏參數(shù)，利用式(17)、(18)等計算樣品的其他光學(xué)參數(shù)。實驗中λ = 650 nm，入射角?分別取 55°，60°，65°，70°，75°作 5 組測量，得到硅片各光學(xué)性質(zhì)結(jié)果平均值為:ε～1= 12. 212 11，ε～2= 3. 535 10，n－= 3. 529 97，k－=0. 501 73，R－= 0. 320 34，α－= 12. 415 78。 考慮到樣品表面的氧化層、沾污等誤差因素，該測試結(jié)果與文獻(xiàn)［1］等報道的結(jié)果相一致。

從上述馬呂斯定律驗證實驗、硅片光學(xué)常數(shù)測試實驗等結(jié)果表明，該反射式 RAP 型橢偏儀具有全自動、多功能、高精度、易操作等優(yōu)點。由于考慮成本因素等，該教學(xué)型橢偏儀僅使用 650 nm 的單波長，實際上該型號橢偏儀已擴展到較寬的測試波長范圍，并且在多方面的研究中發(fā)揮較大作用［11-12］。

5 結(jié) 語

我校自 2004 年以來開設(shè)“光信息科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)實驗，“橢圓偏振光譜學(xué)與偏振光分析實驗”即為其中之一，為此，我們研制成功一種反射式 RAP 型動態(tài)光度式全自動橢偏儀，并用于實驗應(yīng)用。實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、成本低、精度高、易于操作。通過本實驗內(nèi)容的學(xué)習(xí)，將使學(xué)生對有關(guān)偏振物理光學(xué)的基礎(chǔ)知識有更深刻的理解，這主要包括:光的偏振特性;偏振光的產(chǎn)生、控制和應(yīng)用;固體材料的光學(xué)性質(zhì)及其與光學(xué)常數(shù)的關(guān)系;固體光學(xué)常數(shù)的橢偏光學(xué)測量和分析;以及橢圓偏振光譜在科學(xué)研究和高科技領(lǐng)域的應(yīng)用。也有利于學(xué)生在其他相關(guān)課程(如我校精品課程“光子學(xué)器件與工藝”中有關(guān)“光子學(xué)薄膜”等相關(guān)內(nèi)容)的動手實踐與學(xué)習(xí)理解。實驗開設(shè)近 6 年來，取得良好教學(xué)效果，受到學(xué)生歡迎。

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