反射式RAP型橢圓偏振光譜儀及其應(yīng)用

在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，探測器暗電流對(duì)直流信號(hào)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(duì)直流信號(hào)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(qiáng)信號(hào)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(shí)，式(23)和(24)均可計(jì)算出橢偏參數(shù)，可用于系統(tǒng)自洽檢驗(yàn)。實(shí)測數(shù)據(jù)表明本實(shí)驗(yàn) 系統(tǒng)在可 見光范圍內(nèi)其自洽性優(yōu)于1% 。

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

(1) 馬呂斯定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。對(duì)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(qiáng)隨檢偏器轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化的規(guī)律，并由此計(jì)算反射光的偏振狀態(tài)。為了讓學(xué)生對(duì)此有直觀的認(rèn)識(shí)，首先設(shè)計(jì)一項(xiàng)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)。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(qiáng)變化形式并驗(yàn)證馬呂斯定律。

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

以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，實(shí)驗(yàn)過程中馬呂斯定律 I =I0cos2θ 成立，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)于起偏器與檢偏器的轉(zhuǎn)動(dòng)控制良好。

(2) 樣品參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)。作為橢偏儀的另一應(yīng)用實(shí)例，在室溫下，使用該系統(tǒng)對(duì)一標(biāo)準(zhǔn)硅片樣品進(jìn)行測量，探測并計(jì)算其主要光學(xué)參數(shù):復(fù)折射率的實(shí)部 n、虛部 k、復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部 ε1、虛部 ε2、反射率 R 及吸收系數(shù) α。控制起偏器與檢偏器以 A = 2P 的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，并探測光強(qiáng)。由式(22)、(23)(或(24))計(jì)算橢偏參數(shù)，利用式(17)、(18)等計(jì)算樣品的其他光學(xué)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)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(bào)道的結(jié)果相一致。

從上述馬呂斯定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、硅片光學(xué)常數(shù)測試實(shí)驗(yàn)等結(jié)果表明，該反射式 RAP 型橢偏儀具有全自動(dòng)、多功能、高精度、易操作等優(yōu)點(diǎn)。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(shí)際上該型號(hào)橢偏儀已擴(kuò)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(shí)驗(yàn)，“橢圓偏振光譜學(xué)與偏振光分析實(shí)驗(yàn)”即為其中之一，為此，我們研制成功一種反射式 RAP 型動(dòng)態(tài)光度式全自動(dòng)橢偏儀，并用于實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，將使學(xué)生對(duì)有關(guān)偏振物理光學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)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(dòng)手實(shí)踐與學(xué)習(xí)理解。實(shí)驗(yàn)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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