激光椭圆偏振仪实验教材课件

激光椭圆偏振仪测薄膜厚度及折射率n薄膜厚度及折射率测量的意义n各种测量方法的介绍与比较n激光椭圆偏振法测量的基本原理n测量的基本步骤及软件使用各种常用测厚方法各种常用测厚方法n光干涉测厚n台阶法测厚n晶振法测厚n扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜截面分析或结合台阶法测厚n高能电子衍射在线测厚n椭圆偏振法测厚n寻常光线（寻常光线（o光）光）非常光线（非常光线（e光）光）服从折射定律的光线服从折射定律的光线不服从折射定律的光线不服从折射定律的光线寻常光与非常光寻常光与非常光.oeACDB.eo.基本概念光光光光双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光 光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体 偏振光干涉偏振光干涉 人为双折射现象人为双折射现象.d偏振片偏振片M 单色单色自然光自然光偏振化方向偏振化方向波片波片.d主截面主截面偏振片偏振片M 单色单色自然光自然光波片波片光轴光轴偏振化方向偏振化方向 偏振光干涉偏振光干涉 人为双折射现象人为双折射现象AoeAAAoeA.d主截面主截面偏振片偏振片M 单色单色自然光自然光波片波片光轴光轴偏振化方向偏振化方向a 偏振光干涉偏振光干涉 人为双折射现象人为双折射现象AoeAAMMNN光光轴轴aacos=AeAsin=oAAaa 这这两两束束光光在在晶晶体体中中的的传传播播速速率率不不同同，通通过过晶晶片后将产生一定的相位差：片后将产生一定的相位差：由垂直振动的合成知识可知，当晶片的厚度满足：由垂直振动的合成知识可知，当晶片的厚度满足：O光光和和 e光光叠叠加加后后，光光矢矢量量的的端端点点将将描描绘绘出出椭椭圆圆轨迹，这样的光称称为轨迹，这样的光称称为椭圆偏振光。椭圆偏振光。O光和光和 e光叠加后仍为光叠加后仍为线偏振光；线偏振光；2.若若 时，时，1.当当 时，时，若若 ，即晶片即晶片厚度满足：厚度满足：则透射光为则透射光为正椭圆偏振光；正椭圆偏振光；此时若此时若 ，则，则 Ae=Ao，于是透射光于是透射光为为圆偏振光圆偏振光。这种晶片称为这种晶片称为四分之一波片。四分之一波片。（可使（可使O光和光和 e 光光产生产生 的光程差。的光程差。）注意：四分之一波片注意：四分之一波片是对给定波长而言是对给定波长而言将线偏振光转变为圆偏振光（=45）将线偏振光转变为椭圆偏振光（45）椭偏仪光路图椭偏方程入射光束在待测样品上的发射和折射n按照折射定律有：n1sin1=n2sin2n3sin3根据折射定律及菲涅尔反射系数公式，P分量和S分量在第一界面上的复振幅反射率为：而在第二界面处则有：n入射光在两个界面上有多次的反射和折射，总反射光束是许多反射光束干涉的结果。n总反射系数Rp和Rs定义为：nRpErp/Eip ，Rs=Ers/Eis（Eip和Eis分别代表入射光的p和s分量，用Erp及Ers分别代表各束反射光中电矢量的p分量之和及s分量之和）n利用多光束干涉理论，可得p分量和s分量的总反射系数为：n其中2为任意相邻两束反射光之间的位相差（为真空中的波长，d和n2为介质膜的厚度和折射率）n光束在反射前后的偏振状态变化可以用总反射系数比Rp/Rs来表征。在椭圆偏振法测量中，为了简便，通常引入另外两个物理量和来描述反射光偏振态的变化。它们与总反射系数的关系定义为：n参数和是n1，n2，n3，1，和d的函数，其中n1，n3，和1可以是已知量，如果能从实验中测出和的值，原则上就可以算出薄膜的折射率n2和厚度d。然而，从以上各式却无法解析出d=(,)和n2=(,)的具体形式，因此只能先按以上各式用计算机算出在n1，n3，和一定条件下(,)（d,n）关系图表，等测出待测薄膜的和值后，再从图表上查出相应的厚度d和n（即n2）值。和和的物理意义的物理意义 n反射系数：RpErp/Eip ，Rs=Ers/Eisn用复数形式表示入射光和反射光的p和s分量：Eip=|Eip|exp(iip)；Eis=|Eis|exp(iis)Erp=|Erp|exp(irp)；Ers=|Ers|exp(irs)（各绝对值为相应电矢量的振幅，各值为相应界面处的位相）ntan=|Erp|Eis|Ers|Eip|n=(rprs)-(ipis)ntan=|Erp|Eis|Ers|Eip|n=(rprs)-(ipis)n入射光与反射光满足以下两个条件测量更进一步简化：1）入射在膜面上的光为等幅椭圆偏振光等幅椭圆偏振光（即p和s二分量的振幅相等），|Eip|/|Eis|=1，则：tan=|Erp|/|Ers|2）若反射光为线偏振光也就是rprs=0（或），则：=-(ipis)ntan恰好是反射光的p和s分量的幅值比n是反射光线偏振方向与s方向间的夹角n恰好是在膜面上的入射光中s和p分量间的位相差和和的测量的测量 椭偏仪可直接测出消光状态下的起偏角P1和检偏角。要得到，还必须算出P1与（ipis）的关系。n设已将1/4波片置于其快轴方向f与s方向间夹角为/4的方位。E0为通过起偏器后的电矢量，P1为E0与s方向间的夹角（以下简称起偏角）n通过1/4波片后，E0沿快轴的分量Ef与沿慢轴的分量El比较，位相上超前/2。从它们在p和s两个方向的投影可得到p和s方向的电矢量分别为：当1/4波片放置在+/4角位置时，在p和s二方向上得到幅值均为 E0/2的椭圆偏振入射光。p和s的位相差为ipis=/2-2P1折射率折射率n2和膜厚和膜厚d的计算的计算 n直接计算n查表n查图n第一周期厚度：当2=2时，若膜厚大于d0，可用其它方法(如干涉法)确定所在的周期数j，则总膜厚是D=(j-1)d0+d另外可以采用双角度测量双角度测量的方法，即改变入射角，每个入射角对应有一组d和d0值，利用两个不同入射角所测出的d和d0值交叉对比，就可以知道样品的总膜厚