椭圆偏振光椭圆度的测定
椭圆偏振光椭圆度的测定
一、原理——马吕斯定律
能够将自然光变为偏振光的器件称为起偏器，用于检验偏振光的器件称为检偏器。一束自然光通过偏振器后，出射线偏光矢量的振动方位是由偏振器决定的。称偏振器允许透过的光矢量的方向为偏振器的透光轴。使从起偏器出射的光通过
一起偏器，则透过两偏振器后的光强随两器件透光轴的夹角θ而变化，即
当两偏振器透光轴平行（θ=0°）时，透射光强最大，为0；当两偏振器透光轴
互相垂直（θ=90°）时，则透射光强为零，没有光从检偏器出射，称此时检偏器处于消光位置。
二、方法——采用检偏器检验的方法
旋转检偏器时，透射光强随之变化。当检偏器透光轴方向与长轴方向重合，即θ=0°或θ=180°时，有最大透射光强=；而当互相垂直，即θ=90°
或θ=270°时，有最小透射光强=。由此可以通过旋转检偏器找到光强最大/最小的位置，借助功率计，即可得知，，从而算出
椭圆度tanε=/
三、步骤
1、搭建合适光路，如图
2、根据产品的设计波长选取相对应的光源，将产品的偏振器光轴与起偏器光轴调节一致（夹角为0°），旋转检偏器，标记出功率计示数最大和最小的位置，并记录数，，计算出椭圆度tanε=/。
椭圆偏振侧厚仪实验原理
实验原理 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。 1、椭偏方程与薄膜折射率和厚度的测量 如右图所示为一光学均匀和Array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。 设φ1表示光的入射角，φ2和φ3分别为在界面1和2上的折射角。 根据折射定律有 n1sinφ1= n2sinφ2= n3sinφ 3 (1 ) 光波的电矢量可以分解成在入射面内振动的p分量和垂直于入射 面振动的s分量。若用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K0, K1,K2,…中电矢量的p分量之和及
s分量之和，则膜对两个分量的总反射系数Rp 和Rs定义为 Rp=Erp/Eip 和Rs=Ers/Eis (2) 经计算可得 Erp=(r1p＋r2p e-i2δ) (1+ r1p r2p e-i2δ)Eip和 Ers=(r1s＋r2s e-i2δ)/(1+ r1s r2s e-i2δ)Eis (3) 式中r1p或r1s和r2p或r2s分别为p或s分量在界面1和界面2上一 次反射的反射系数。2δ为任意相邻两束反射光之间的位相差。 根据电磁场的麦克斯韦方程和边界条件可以证明 r1p=tan(φ1－φ2)/ tan(φ1+φ2), r1s= －sin(φ1－φ2)/sin(φ1+ φ2) r2p=tan(φ2－φ3)/ tan(φ2+φ3) ,r2s= －sin(φ2－φ3)/sin(φ2+ φ3)(4) 式（4）即有名的菲涅尔反射系数公式。由相邻两反射光束间的程 差，不难算出 2δ=4πd/λn2cosφ2=4πd/λ(n22－n12sin2φ1)1/2 (5) 式中λ为真空中的波长，d和n2为介质膜的厚度和折射率，各φ 角的意义同前。 在椭圆偏振法测量中，为了简便，通常引入另外两个物理量ψ和 Δ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如下：
椭圆偏振光法测定介质薄膜的厚度和折射率 (2)
椭圆偏振光法测定介质薄膜的厚度和折射率 5- 姓名:陈正 学号：PB05210465 系别：6系 实验目的： 本实验的目的有以下两个： 1.了解椭偏仪测量薄膜参数的原理. 2.初步掌握反射型椭偏仪的使用方法. 实验原理： 椭圆偏振光经薄膜系统反射后，偏振状态的变化量与薄膜的厚度和折射率有 关，因此只要测量出偏振状态的变化量，就能利用计算机程序多次逼近定出膜厚 和折射率。参数?描述椭圆偏振光的P 波和S 波间的相位差经薄膜系统关系后发 生的变化，ψ描述椭圆偏振光相对振幅的衰减。有超越方程： tan pr pi sr si E E E E ψ????= ? ????? ()()pr sr pi si ββββ?=--- 为简化方程，将线偏光通过方位角±45?的14 波片后，就以等幅椭圆偏振光出射，pi si E E =；改变起偏器方位角?就能使反射光以线偏振光出射， ()0pr sr ββπ??=-=或，公式化简为： tan pr sr E E ψ= ()pi si ββ?=-- 实验仪器：
分光计、He-Ne 激光器及电源 、起偏器 、检偏器 、14 波片，待测样品、黑 色反光镜、放大镜等； 实验内容： 1. 按调分光计的方法调整好主机. 2. 水平度盘的调整. 3. 光路调整. 4. 检偏器读数头位置的调整和固定. 5. 起偏器读数头位置的调整与固定. 6. 4/1波片零位的调整. 7. 将样品放在载物台中央,旋转载物台使达到预定的入射角70゜即望远镜转过 40゜,并使反射光在白屏上形成一亮点. 8. 为了尽量减小系统误差,采用四点测量. 9. 将相关数据输入“椭偏仪数据处理程序”，经过范围确定后，可以利用逐次逼 近法，求出与之对应的d 和n ;由于仪器本身的精度的限制，可将d 的误差 控制在1埃左右，n 的误差控制在0.01左右. 数据处理： 原始数据列表： 由分析知A,P 应满足以下条件： ???????==?=+?=+423 14321180180A A A A A A A A ????????=+?=+?=-?=-270270909042 314321P P P P P P P P 所以测量数据基本满足以上的条件。 将表格中数据输入“椭偏仪数据处理程序”，利用逐次逼近法，
椭圆偏振法
得分教师签 批改日期 名 深 圳 大 学 实 验 报 告 课程名称：近代物理实验 实验名称：椭圆偏振法测量薄膜厚 度及折射率 学院：物理科学与技术学院 组号指导教师： 报告人：学号：
实验地点实验时间： 实验报告提交时间： 1、 实验目的 1、利用椭偏仪测量硅衬底薄膜的折射率和厚度；提高物理推理与判别处理能力。 2、用自动椭偏仪再测量，进行比对；分析不同实验仪器两种方式的测量。提高误差分析与分配能力。 二、实验原理 椭偏法测量的基本思路是，起偏器产生的线偏振光经取向一定的1/4波片后成为特殊的椭圆偏振光，把它投射到待测样品表面时，只要起偏器取适当的透光方向，被待测样品表面反射出来的将是线偏振光。根据偏振光在反射前后的偏 振状态变化（包括振幅和相位的变化），便可以确定样品表面的许多光
学特性。 设待测样品是均匀涂镀在衬底上的透明同性膜层。如图3.5.1所示， n1，n2和n3分别为环境介质、薄膜和衬底的折射率，d是薄膜的厚度，入射光束在膜层上的入射角为φ1，在薄膜及衬底中的折射角分别为φ2和φ3。按照折射定律有 (3.5.1) 光的电矢量分解为两个分量，即在入射面内的P分量及垂直于入射面的S 分量。根据折射定律及菲涅尔反射公式，可求得P分量和S分量在第一界面上的复振幅反射率分别为 而在第二个界面处则有 从图3.5.1可以看出，入射光在两个界面上会有很多次的反射和折射，总反射光束将是许多反射光束干涉的结果，利用多光束干涉的理论，得p分量和s分量的总反射系数 其中 是相邻反射光束之间的相位差，而λ为光在真空中的波长。 光束在反射前后的偏振状态的变化可以用总反射系数比（Rp/Rs）来表征。在椭偏法中，用椭偏参量ψ和Δ来描述反射系数比，其定义为 分析上述格式可知，在 λ，φ1，n1，n3确定的条件下，ψ和Δ只是薄膜厚度d和折射率n2的函数，只要测量出ψ和Δ，原则上应能解出d和n2。然而，从上述格式却无法解析出d=（ψ，Δ）和n2=（ψ，Δ）的具体形式。因此，只能先按以上各式用电子计算机算出在λ，φ1，n1
椭圆偏振仪测量薄膜厚度和折射率
实验15椭圆偏振仪测量薄膜厚度和折射率 在近代科学技术的许多部门中对各种薄膜的研究和应用日益广泛．因此，更加精确和迅速地测定一给定薄膜的光学参数已变得更加迫切和重要．在实际工作中虽然可以利用各种传统的方法测定光学参数（如布儒斯特角法测介质膜的折射率、干涉法测膜厚等），但椭圆偏振法（简称椭偏法）具有独特的优点，是一种较灵敏（可探测生长中的薄膜小于0.1nm的厚度变化）、精度较高（比一般的干涉法高一至二个数量级）、并且是非破坏性测量．是一种先进的测量薄膜纳米级厚度的方法．它能同时测定膜的厚度和折射率（以及吸收系数）．因而，目前椭圆偏振法测量已在光学、半导体、生物、医学等诸方面得到较为广泛的应用．这个方法的原理几十年前就已被提出，但由于计算过程太复杂，一般很难直接从测量值求得方程的解析解．直到广泛应用计算机以后，才使该方法具有了新的活力．目前，该方法的应用仍处在不断的发展中． 实验目的 (1)了解椭圆偏振法测量薄膜参数的基本原理； (2)初步掌握椭圆偏振仪的使用方法，并对薄膜厚度和折射率进行测 量． 实验原理 椭偏法测量的基本思路是，起偏器产生的线偏振光经取向一定的１/４波片后成为特殊的椭圆偏振光，把它投射到待测样品表面时，只要起偏器取适当的透光方向，被待测样品表面反射出来的将是线偏振光．根据偏振光在反射前后的偏振状态变化，包括振幅和相位的变化，便可以确定样品表面的许多光学特性．1椭偏方程与薄膜折射率和厚度的测量 图15.1 图15.1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，下层是折射率为n3的衬底，介质薄膜均匀地附在衬底上，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． 设φ1表示光的入射角，φ2和φ3分别为在界面1和2上的折射角．根据折射定律有 n1sinφ1=n2sinφ2＝n3sinφ3（15.1）
椭圆偏振光和部分偏振光的检验试验
椭圆偏振光与部分偏振光的检验 实验课题： 《大学物理学》（下）p256告诉我们关于偏振光的检验有关知识，我们了解了利用一块偏振片与四分之一波片检验出自然光、部分偏振光、线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光的方法，以下是相关实验过程与结论： 表 Ⅶ-3 偏振 光的检验 第一 步 令入射光通过偏振片Ⅰ，改变偏振片I 的透振方向P1，观察透射光强度的变化（图1） 观察到的现象 有 消光 强度无变化 强度有变化，但无消光 结论 线 偏振 自然光或圆偏振 部分偏振或椭圆偏振 第二步 a.令入射光依次通 过λ/4片和偏振片Ⅱ，改变偏振片Ⅱ的 透镜方向P2，观察透射光的强度变化 b.同a ，只是λ/4片的光轴方向必须与第一步中偏振片Ⅰ产生的强度极大或极小的透振方向重合 观察 到的现象 有消光 无消光 有消光 无消光 结论 圆偏 振 自然光 椭圆偏振 部分偏振
但是实际上，偏振光的偏振化方向与四分之一波片的光轴方向一般是不会标明的，椭圆偏振光的两主轴的位置也是不知道的，这就使椭圆偏振光与部分偏振光的检验发生了困难。以下，用旋转波片的方法使这一问题得以解决。 知识准备 1熟悉偏振光、起偏器、四分之一波片及其性质 2了解斯托克斯矢量及马吕斯定律 3学会光路图的安装及调整光路 实验原理： 一般情况下，椭圆偏振光均可以看做线偏振光经 过一任意延迟量的波片形成的，由入射光的斯托 克斯适量和四分之一波片的勒密矩阵可以求出 出射光的斯托克斯矢量并且有：任意椭圆偏振光 通过1/4波片后，只要1/4波片的快慢轴与椭圆 长轴与短轴方向一致，则出射光均可补偿为一线 性偏振光。而部分偏振光可以看做是自然光与偏振光的叠加，由斯托克斯矢量可得经过1/4波片后仍为部分偏振光。 由马吕斯定律可得其光强随检偏器的转动而变化的关系图