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多功能激光椭偏仪实验 多功能激光椭偏仪实验 现代科学中各种薄膜的研究和应用日益广泛，需要一种可以精确和迅速测定某一薄膜的光学参量的物理方法和手段，并且是非破坏性的。本椭偏仪采用一种简易的装置，利用传统的消光法测量椭偏参量，使学生掌握椭偏仪测量的基本原理，实验方法和仪器的使用。 【实验目的】： 1、了解椭偏仪的结构，掌握其测量原理； 2、测量透明介质薄膜厚度和折射率； 3、测量布儒斯特角，验证马吕斯定律及偏光分析。 【实验仪器】 分光计，LED激光器，椭偏仪，数字检流计 【实验原理】 1、介质膜的测量 使一束自然光经起偏器变成线偏振光。再经1/4波片，使它变成椭圆偏振光入射在待测的膜面上。反射时，光的偏振状态将发生变化。通过检测这种变化，便可以推算出待测膜面的某些光学参数（如膜厚和折射率）。 2、椭偏方程与薄膜折射率和厚度的测量 图一所示为一光学均匀和各向同性的单层介质膜。它有两个平行的界面。通常，上部是折射率为n1的空气（或真空）。中间是一层厚度为d折射率为n2的介质薄膜，均匀地附在折射率为n3的衬底上。当一束光射到膜面上时，在界面1和界面2上形成多次反射和折射，并且各反射光和折射光分别产生多光束干涉。其干涉结果反映了膜的光学特性。 根据电磁场麦克斯韦方程和边界条件以及菲涅尔反射系数公式，我们可以推导出如下椭偏方程： 上面两式相比可得： 其中， 如果入射光为振幅相等，相位差为 的两束偏振方向垂直的光的叠加，则出射光为线偏振光（相位差为 ）。通过检出两垂直方向的光振幅之比，求出公式中表示薄膜参数的厚度 和折射率n。 需要说明的是：当为实数（无吸收薄膜）时，厚度 为一个周期数，其第一周期 为: 本实验只能计算 ，若实际薄膜厚度大于 ，可用其他方法（如干涉片）确定所在的周期数j，且总膜度为： D＝（j－1）d0+d 3、金属复折射率的测量 介质膜对光的吸收可能忽略不计，其折射率为实数，当测量表面为金属时，由于其为电媒质，存在不同程度的吸收，根据相关理论，金属的介电常数是复数，其折射率也是复数。表示为： N＝n－jk　　　 经推算得： 式中ψ和Δ的测量与介质膜时相同。 3、椭偏仪结构 如图二所示： 图 二 1、半导体激光器 2、平行光管 　3、起偏器读数头（与6可换用） 4、1/4波片读数头 5、氧化锆样板　 6、检偏器读数头 7、望远镜筒 　8、半反目镜 9、光电探头 10、信号线 11、分光计 12、数字式检流计 半导体激光器出厂时已调好，应满足以下二点：　 （1） 激光光斑在距激光器约45cm处最小，如发现偏离较远，可将激光器从其座中取出，调节其前端的会聚透镜即可。 （2） 激光与平行光管共轴，轻易不要将其破坏。 4、基本光路图 图 三 【实验步骤】 1、测量薄膜厚度与折射率 （1）将接收光管移动40度（入射角为70度），放上待测物体，使光能射入检偏器小孔，并能直射到检测装置（保证入射角为70度，可卸下检测头用眼观察光路是否平行于光管，调节待测物体到平行）。 （2）将起偏器内盘（1/4波片）对准45度（记为+45度），旋转检偏器外盘（检偏片A）到任一大于90度位置（不要太大），调节起偏器外盘（起偏片P）到检测装置读数最小，记录读数A1，P1（如果有读数大于180，要将读数一般是P减去180）；旋转检偏器外盘（检偏片A）到任一小于90度位置（一般A1+A2=180），调节起偏器外盘（起偏片P）到检测装置读数最小，记录读数A2，P2（如果有读数大于180，要将读数一般是P减去180，一般P1 -P2=90）。 （3）将起偏器内盘（1/4波片）对准135度（记为-45度），重复以上步骤得到两组数据（A3，P3；A4，P4）。 2、测量吸收薄膜的膜厚、折射率和消光系数 有两种方法： 1、从其他途径确定一个参数，然后用上叙方法求解另外两个参数，例如：假定知道薄膜的折射率为1.88，可以解出膜厚为78nm，消光系数为0！ 2、用双入射角测试，分别在两个入射角下做该实验，输入数据。并假定一个薄膜参数，比较两组结果是否相近，不是则改变该假定的薄膜参数（由于采用尝试方法求解，当对薄膜某个参数有了解时，求解是非常迅速的） 【数据处理】 输入椭偏仪数据处理程序即可。其中在测试条件与结果中，将光波长设为635nm，衬底折射率为1.515，衬底消光系数0，环境折射率1，入射角70度； 然后点‘输入数据’，将结果（可做两次共8组16个数据）分别输入，点击‘开始作图’；观察图中蓝色点（实验测试点）附近的相临膜厚曲线与折射率曲线的值，估计膜厚与折射率的大概范围，实验点的膜厚与折射率介于相临两条曲线之间。然后点所有曲线，等所有曲线显示以后才能改变作图区间与精度，用合适的X，Y轴放大倍率，读出膜厚与折射率（膜厚区间过大可能会出现重复情况，应减小区间）。 膜厚可精确到0.1nm折射率要精确到小数点后三位（,既四位有效数字）。精度越高，图中数据点就越大（点的大小表示实验测量真实值的可能范围，是一个矩形的等概率区间），也就是误差会越大！ 附录 椭偏仪数据处理程序简介 椭偏仪用于薄膜参数（膜厚、折射率、消光系数）的测量,具有方便快速、精度高，且对样品无损伤等优点，所以在许多薄膜材料、光学薄膜的研究中，都将其作为基本的薄膜测量工具之一。另外，我国大多数理工科大学都将椭偏仪实验列入近代物理实验或专业实验课程中，因此椭偏仪在全国大学和科研机构中的使用是非常广泛的。 但椭偏仪的数据处理仍然存在着明显的困难，极大地限制了椭偏仪的应用。传统的椭偏仪数据处理有两类方法，一类是查表或者查图，另一类是利用计算机数值计算。 查表或查图二者方法上是相同的，有着相同的方法缺陷。首先，一张表或图是根据特定的入射波长、入射角度、环境折射率和衬底折射率得到的，其中任一条件改变，都会使表或图失去作用。这尤其限制了衬底的选择，而在研究中常常使用各种各样的衬底材料，例如各种取向的单晶硅片、各种光学玻璃、载玻片、石英玻璃、氧化镁等等。为使用椭偏仪就需要准备相应的各种表或图，而这通常是难以做到的。其次，查图或查表的方法不适用于薄膜有吸收的情况。通常的表或图是假定薄膜无吸收，消光系数为零得到的，对于有吸收的薄膜，无法在单波长、单入射角测度中得到其参数，所以也就不能得到相应的图或表。另外，查图方法中图线的精度是固定的，从而限制了读数的准确性，尤其是在图线密集的区域。而且多次使用后图纸容易损坏，不便于保管和使用；查表方法的精度也是固定的，并且由于是利用A、P的数值在不同的表中对照，其效率比查图法更低。 传统的第二种椭偏仪数据处理方法是利用计算机进行数值处理。输入各项测试条件和测试结果后即可通过插入或拟合的方法计算出薄膜参数。这种方法虽然适用范围广，但缺少中间过程的信息，影响对整体的直观了解，并不适用于科学研究，尤其是实验教学使用。 针对椭偏仪在数据处理中的困难，我们研究开发了椭偏仪数据处理应用程序。本程序运行在Windows95及其以上的操作系统中，是一个实时作图的系统，可以用于单层薄膜参数的求解，其使用方法类似于查图法但比查图法更简单，它不仅可以应用于各种测试条件和无吸收的薄膜，也能够通过双入射角测试对有吸收的薄膜样品进行求解。另外，整个作图区域内可以几乎无限制地放大和缩小，即可以直观了解整体趋势，又能够得到充分的读数精度。为了方便用户的使用，程序还提供了多样实用功能。下面就简单介绍本程序的主要功能和使用方法。 1、 单入射测量无吸收的薄膜。 （1） 程序的主窗体如图一所示。首先在“设定计算参数”框中选择“设定薄膜消光系数”，并输入其值为0，这对应的就是无吸收薄膜的情况。 （2） 然后在“测试条件”框中输入入射波长、环境折射率、衬底折射率和消光系数。在程序数据库中保存常用的光源及其入射波长，以及常用的衬底材料的折射率和消光系数，输入时只需在“光源名称”和“衬底名称”下拉列表中选择相应的名称，即可自动填入波长数值和折射率、消光系数数值。程序中已嵌入了氦氖激光的波长632.8nm，衬底为K9玻璃，折射率为1.515，消光系数为0。环境折射率这里取空气的折射率1。由于无须双入射角测量，所以只填入了第一入射角度为70度。（可以看到第二入射角文本框以及上面的“第二入射角测试结果”框是灰色不可用的） （3） 然后在“第一入射角测试结果”框中输入测试结果A、P。其中0.3代表的是读数误差。 （4） 然后在“绘图范围”框中输入合适的作图范围。图一所示的范围表示将首先作出膜厚0nm、10nm、20nm直到200nm的一组“等膜厚”的线（蓝色），然后作出折射率为1.1、1.2、1.3直到2.5的一组“等折射率”的线（红色）。作图区域的放大倍数为1。消光系数的上下限被设置为灰色不可用。 （5） 在设置完上述参数后单击命令按钮“开始作图”，这些参数就被输入到程序中。同时在作图区域标出坐标，其中X轴为椭偏参数Δ，Y轴为椭偏参数Ψ，如图二所示。测试结果A、P换算为Ψ和Δ后也被标记在作图区域中。在单入射角情况下，其位置始终位于作图区域的中心。（在无放大的情况下，测试结果点在图中不是很明显，但放大后就很清楚了） （6） 单击命令按钮“下一条线”或者直接单击作图区域，将依次画出各条“等膜厚”线和“等折射率”线，同时在窗口左下角显示出膜厚或折射率的值，如图三、四所示。在图三中可以看到测试结果点介于70nm和80nm等膜厚线之间，此时可以立即修改“绘图范围”框中的膜厚范围，而无须等到作图完成。在图四中可以看到测试结果介于1.8和1.9等折射率线之间，同样可以立即修改“绘图范围”框中的折射率范围，并设定新的放大倍数。然后可以单击命令按钮“所有线”，结果先前条件下的作图，其结果如图五所示。 （7） 再次单击命令按钮“开始作图”，重复前面的操作，可以进一步得出结果，薄膜样品的厚度为78±1nm，折射率为1.88±0.01，如图六所示。在图六的放大倍数下，测试结果点表示为作图区域中心的暗色矩形，矩形的大小除取决于放大倍数外，也取决于在“第一入射角测试结果”框中输入的读数误差的大小。 （8） 从图中得到的厚度并非薄膜的真实厚度，而需要加上若干个测量周期厚度。测量周期厚度取决于入射角、入射波长和薄膜的折射率。在作图区域下方输入薄膜的折射率，即可在下拉列表框中显示出测量周期厚度值。若同时输入从图中得到的厚度值，然后拉开下拉列表框，就可以看到加上若干测量周期厚度后，薄膜的真实厚度，参见图六。（至于到底需要加上多少个测量周期厚度，只能由其他的测量或估计得出。） （9） 需要说明的两点。首先，原则上作图区域的放大倍数是不受限制的，但由于有读数误差存在，放大倍数越大，相应的暗色矩形也越大，因而并不能得到无限精确的读数，这样也就直观地表示出了结果的误差范围。其次，当绘图范围中设定的厚度上下限超过薄膜的测量周期厚度时，等膜厚线和等折射率线就会出现重复的情况，因而显得较为杂乱（参见图五）。但将膜厚上下限范围限制在一个测量周期之内，则各组线之间的趋势是非常简单和明确（参见图六）。 2、 有吸收的薄膜。 （1） 对于有吸收的薄膜而言，其参数包含三项，即薄膜厚度、折射率和消光系数，而椭偏方程只能解出两个未知数，所以必须寻找附加的条件才能求解。本程序求解有吸收的薄膜有两种方法。一种是从其他途径得到一个薄膜参数，第二种是采用双入射角进行测试。 （2） 若能够从文献资料或其他测试中得到薄膜三个参数中的任何一个，则将此参数输入到“设定计算参数”框中的相应文本框中，即可按照与前面类似的步骤进行求解。例如，假定知道薄膜的折射率为1.88，可以求解出膜厚为78nm，消光系数为0（参见图七）。 （3） 另一种方法是改变入射角，采用双入射角测试，这在仪器操作上是很容易实现的。在窗口中输入两个入射角角度及其各自的测试结果，然后假定一个参数（例如膜厚），按照前面的步骤作图，这时程序会同时作出两组图线（第二组图线为黑白两色），分别对应两个入射角度。由此可以得出两组薄膜参数（例如在假定膜厚已知时，可以得到折射率和消光系数），比较两组参数是否相近，若相差太远，修改假定参数的值，直到两组结果相近为止，即为所需的薄膜参数(参见图八)。 （4） 需要说明的是，双入射角测试是采用尝试的方法求解。若对薄膜某个参数有所了解，这个尝试求解的过程是可以很快完成的。 （5） 另外需要说明的是，本程序是根据理想状态下得到的椭偏数学模型进行计算的，在一定误差范围内可以用于弱吸收的介质薄膜求解，但对强吸收的金属薄膜只能得出一个大致的结果。 3、 测量衬底材料的折射率。 （1） 了求解薄膜参数，必须首先知道衬底材料的折射率和消光系数。除查阅相关文献资料外，也可以直接用椭偏仪测量衬底体材料的复折射率。 （2） 计算出衬底体材料的复折射率后，可以直接将其添加到前面提过的常用光源和常用衬底数据库中，方便用户的使用。 图一　　　程序主窗体 图二　　　　作图区域中的坐标 图三　　测试结果点介于70nm和80nm等膜厚线之间 图四　　　测试结果点介于1.8和1.9等折射率线之间 图五　　　切换坐标完成后的图形 图六　　重新放大后作图，以及薄膜的真实厚度 图七　　假定知道薄膜折射率为1.88，求解膜厚和消光系数 图八　　双八射角法尝试求解 -7- _1203358895.unknown _1203359858.unknown _1208111725.unknown _1208111742.unknown _1208111749.unknown _1208111739.unknown _1208111710.unknown _1208111720.unknown _1203360014.unknown _1203359848.unknown _1203358672.unknown _1203358773.unknown _1203358397.unknown _1102422856.unknown _1115016353.dwg _1102422618.unknown