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椭偏仪测量薄膜厚度和折射率【引言】椭圆偏振测量（椭偏术）是研究两媒质界面或薄膜中发生的现象及其特性的一种光学方法，其原理是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射时出现的偏振变换。 椭圆偏振测量的应用范围很广，如半导体、光学掩膜、圆晶、金属、介电薄膜、玻璃(或镀膜)、激光反射镜、大面积光学膜、有机薄膜等，也可用于介电、非晶半导体、聚合物薄膜、用于薄膜生长过程的实时监测等测量。结合计算机后，具有可手动改变入射角度、实时测量、快速数据获取等优点。【实验目的】掌握椭偏仪的原理与操作方法；学会利用椭偏仪进行相关物理量的测量。【实验仪器】椭偏仪、待测样品、电脑WJZ－II椭偏仪结构 如图1所示：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、氧化锆标准样板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、数字式检流计图 1 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，如发现已破坏，请按第8页“光路调整”中所述方法进行调整，一旦调好，轻易不要将其破坏。主要技术性能及规格测量透明薄膜厚度范围0－300nm，折射率1.30－2.49。起偏器、检偏器、1/4波片刻度范围0°-360°，游标读数0.1°。测量精度：±2nm。入射角ψ1＝70°，K9玻璃折射率n＝1.515。消光系数：0，空气折射率1。*JGQ－250氦氖激光器波长λ＝632.8nm（用软件处理数据时，该波长值已 内嵌，无须输入）。*半导体激光器波长λ＝635nm（用软件处理数据时，该波长值未内嵌，须输入，并需重新设置消光系数“0”）椭圆偏振仪的简介：随着科学和技术的快速发展，椭偏仪的光路调节和测量数据的处理越来越完善快捷。这里介绍常用的手动型椭圆偏振测厚仪（TP-77型）和自动型椭圆偏振测厚仪(SGC-2型)。手动型椭圆偏振仪采用632.8nm波长的氦氖激光器作为单色光源，入射角和反射角均可在90度内自由调节，样品台可绕纵轴转动，其高度和水平可以调节，样平台可绕纵轴转动，其高度和水平可以调节。检偏器旁边有一个观察窗，窗下的旋钮用以改变经检偏器出射的光或者射向光电倍增管。为了保护光电倍增管，该旋钮的位置应该经常放在观察窗位置。SGC-2型自动椭偏仪，其自动化程度高，光路调试完毕后只要装上待测样品，点击计算机上的相应菜单，输入相应的参数，即可自动完成起偏器，检偏器的调节，找出消光点，并直接给出待测样品的d和的值。该仪器也有会出~曲线和~表格的功能，测出和值后，可在曲线上或表中查出对应的最佳的和d值。仪器还适用于测量厚度超过一个周期以上的薄膜样品。测量方法是利用“双角度”功能，设置好二次测量的角度，点击菜单，就可以得出样品的周期数以及样品的总厚度值。对于厚度超过一个周期的薄膜，相应的光程差引起的相位差超过了一个周期360度，这时所得的数据应该加上对应的周期数，在计算d的值。【实验原理】椭圆偏振测量（椭偏术）是研究光在两媒质界面发生的现象及介质特性的一种光学方法，其原理是利用偏振光在界面反射或透射时发生的偏振态的改变。 椭圆偏振测量的应用范围很广，如研究半导体、光学掩膜、圆晶、金属、介电薄膜、玻璃(或镀膜)、激光反射镜、大面积光学膜、有机薄膜等光学性质，也可用于介电、非晶半导体、聚合物薄膜、用于薄膜生长过程的实时监测等测量。结合计算机后，具有可手动改变入射角度、实时测量、快速数据获取等优点。光学材料镀上各向同性的单层介质膜后，介质层的折射率为n1、n2、n3，φ1为入射角，则在1、2介质交界面1和2、3介质交界面2会产生反射光和折射光的多光束干涉，如下图：这里我们用2δ表示相邻两分波的相位差，其中 δ=2πdn2cosφ2/λ ，用r1p、 r1s表示光线的p分量、s分量在界面1的振幅反射系数， 用r2p 、r2s表示光线的p分、s分量在界面2的振幅反射系数。 由多光束干涉的复振幅计算可知： 其中Eip和Eis 分别代表入射光波电矢量的p分量和s分量，Erp和Ers分别代表反射光波电矢量的p分量和s分量。现将上述Eip、Eis 、Erp、Ers四个量写成一个量G，即：我们定义G为反射系数比，它应为一个复数，可用tgψ和Δ表示它的模和幅角。上述公式的过程量转换可由菲涅耳公式和折射公式给出：G是变量n1、n2、n3、d、λ、φ1的函数(φ2 、φ3可用φ1表示) ，即ψ=tg-1G，Δ=arg| G |， 称ψ和Δ为椭偏参数，上述复数方程表示两个等式方程：[tgψe iΔ]的实数部分 =的实数部分[tgψe iΔ]的虚数部分 ：的虚数部分若能从实