椭圆偏振仪讲稿.ppt
椭圆偏振光和圆偏振光PPT课件
18
光轴
A D
注意：光轴仅标志一定的方向, A 并不特指某条直线。 单轴晶体： 只有一个光轴的晶体。如 B 方解石（碳酸钙、冰洲石）、 石英（水晶）、红宝石等。 双轴晶体： 有两个光轴的晶体。如云 母、硫磺、黄玉等。
D
C
19
主平面： 包含晶体光轴和给定光线的平面 3. o,e光的性质 实验表明： 1）o光是线偏振光，振动方向 垂直于o光主平面. e光是线偏振光，振动方向 平行于e光主平面. 2) 当光轴在入射面内或垂直于 入射面时， o, e光的振动方 向相互垂直。 ⒉
29
说明：1）如果光轴垂直于界 面,光正入射时, o,e光方向 相同, 速度也相同,故无双 折射 . 2)如果光轴平行于界面,光 正入射时, o,e光方向相同, 但速度不同,仍认为有双折 射.
Do D
e
D0/
De/
30
例4 负晶体光轴垂直于入射面，平行光斜入射，用 作图法确定o,e光传播方向和偏振方向，并证明 这时o,e光均遵循折射定律。
34
二、单轴晶体的主折射率 光轴垂直于入射面时,e光沿垂直于光轴 的方向传播，这时o,e光都遵循折射定律:
sini1 c n0 (O光主折射率) sini20 v 0 sini1 c ne (e光主折射率) sini2e v e
方解石(负晶体v0<ve n0 >ne) no=1.65836，ne=1.48641 石英：(正晶体v0>ve n0 <ne) no=1.54425，ne=1.55336
1. 二向色性：
是指有些晶体对不同方向振动的电矢 量，具有选择吸收的性质。 偏振片：含有平行地排列起来的长链聚合物 分子的薄膜, 具有二向色性. 如：电气石（天然）、聚乙烯醇（人工）。 透振方向：垂直于长链方向。
椭偏仪讲义
用椭圆偏振仪测量薄膜的厚度和折射率一 实验目的1、了解椭圆偏振法的基本原理;2、学会用椭圆偏振法测量纳米级薄膜的厚度和折射率.二 实验仪器TPY-1型椭圆偏振测厚仪,计算机三 实验原理：椭圆偏振测厚技术是一种测量纳米级薄膜厚度和薄膜折射率的先进技术，同时也是研究固体表面特性的重要工具。
椭圆偏振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14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厚度为d 、折射率为n 的透明各向同性的膜层。
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。
入射光在薄膜两个界面上会有多次的反射和折射，，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12121212exp(2)exp(2), ,1exp(2)1exp(2)p p s s p s p p s s r r i r r i R R r r i r r i δδδδ+-+-==+-+-（1） 其中242cos dn πδϕλ=（2）是相邻两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p s R R 来表征。
在椭圆偏振法中，用椭偏参量ψ和∆；来描述反射系数比，其定义为：tan exp()p s i R R ψ∆= （3） 在入射波波长，入射角，环境介质和衬底的折射率确定的条件下，ψ和∆只是薄膜厚度和折射率的函数，只要测量出ψ和∆，原则上应能解出d 和n 。
然而，从上述各式中却无法解析出(,)d =ψ∆和(,)n =ψ∆的具体形式。
因此，只能先按以上各式用电子计算机计算出在入射波波长，入射角，环境介质和衬底的折射率一定的条件下(,)~(,)d n ψ∆的关系图表，待测出某一薄膜的ψ和∆后再从图表上查出相应的d 和n 的值。
椭圆偏振光谱仪
薄膜测量：椭圆偏振光谱仪成为制作工业用薄膜的关键工具作者：Eric Teboul过去十年，人们对纳米薄膜属性的研究兴趣与日俱增。
将薄膜的厚度减小到100纳米以内导致了材料的光学属性和物理尺寸之间强烈的相互作用。
结合这种趋势，当前大部分研发活动将重点放在使用具有复杂光学属性的柔性聚合物材料。
一种薄膜测量技术——椭圆偏振光谱法（SE）图1.利用椭圆偏振法测量在电磁场的入射面(p或TM)和垂直面(s或TE)两个方向的反射系数的比率。
——成为度量一些透明薄膜最精确可靠的技术之一。
使用柔性衬底的原因最近，研究的重点已经转向制造柔性衬底产品，从而利用半导体、导体，以及新型合成和自组织技术生成的有机物（聚合物，低聚物）和混合物（有机—无机合成物）的发光属性。
柔性衬底具有很多优点，例如重量轻、厚度薄、耐用性好且可卷曲。
另外，采用新型精确沉淀工艺的塑料衬底使低成本、高产量的卷到卷加工成为可能，这种技术对于包装、光学镀膜、太阳能电池组件行业来说很有吸引力，在这些行业中，低成本产品和高质量透明镀膜是行业发展的驱动力。
对于在食品、饮料或制药业中广泛应用的包装来说，要求使用柔性衬底增加阻挡层来保护或控制包装物品。
这些包装材料必须尽可能薄（考虑到成本因素）而透明。
用作阻挡层的材料通常有氧化硅、铝和陶瓷。
图2.卷到卷镀膜机在聚合物网状衬底上沉积一层氧化物阻挡层。
在生产过程中，必须精确控制薄膜厚度，从而在保证薄膜属性可重复的前提下，保持产品的低成本。
由于原始数据由SE提供，其特点是测量速度很快，因而椭偏仪是在快速测量多层膜厚度和折射率过程中首选的非破坏性薄膜测量工具。
椭圆偏振光谱学椭偏数据是从一种非常常见的散射测量法中导出的。
这一光学方法目前用于测量临界尺寸，来补充使用临界尺寸扫描电子显微镜或原子力显微镜方法所缺失的信息。
由于具有分光能力，椭圆偏振法被应用于大量材料中，这些材料可用于半导体、光学镀膜、电讯、封装和纳米及生物技术中。
椭圆偏振光谱仪原理
椭圆偏振光谱仪原理
椭圆偏振光谱仪的原理基于波动光学的理论。
光是一种电磁波，可以沿着不同的方向振动。
当光的振动方向固定时，称其为线偏振光。
而当光的振动方向随时间变化时，称其为圆偏振光。
椭圆偏振光是介于线偏振光和圆偏振光之间的一种特殊光。
椭圆偏振光谱仪通过将待测光与已知偏振状态的光进
行干涉，然后测量干涉光的强度和相位来确定待测光的偏振状态。
具体而言，椭圆偏振光谱仪由一个偏振器、一个样品、一个波片和一个偏振分束器组成。
待测光通过偏振器，该偏振器可以将光的振动方向限制在一个特定的方向上。
然后，通过调整波片的角度，可以改变干涉光的相对相位。
在这个过程中，椭圆偏振光谱仪会同时测量入射光和反射光的干涉光强度和相位。
接下来，椭圆偏振光谱仪将测量到的干涉光强度和相位与已知偏振状态下的理论值进行比较。
通过最小二乘法等数学方法，可以确定待测光的椭圆偏振参数，如椭圆偏振振幅、椭圆偏振相位和偏振椭圆的长短轴。
通过测量椭圆偏振参数，可以确定光的偏振状态。
例如，当椭圆偏振振幅为0时，表示光为线偏振光；当椭圆偏振振幅为1时，表示光为圆偏振光；而当椭圆偏振振幅介于0和1之间时，表示光为椭圆
偏振光。
椭圆偏振光.ppt
k 1,2 相干相消
• 偏振片M与N的透振方向相互平行（M//N)
AeN Acos cos
AON Asin sin
//
(no
ne )d
2
Mc
AO
N
AON
AeN
Ae
o
A出2 // A2 cos4 A2 sin4 2A2 cos2 sin2 cos //
M // N
白光中去掉红为青；白光中去掉绿为品；白中去蓝为黄。
提纲
17-5 椭圆偏振光、圆偏振光、偏振光的检验
• 椭圆偏振光、圆偏振光的产生
• 线偏振光垂直通过波片后的偏振态
• 偏振态的检验 17-6 分振动面的干涉—偏振光干涉
• 偏振片M与N的透振方向相互垂直（MN) • 偏振片M与N的透振方向相互平行（M//N)
•• 互补原理 •• 色偏振（互补原理的应用） 17-7 人为双折射现象
A出 A入
O C
O
七种偏振态的检验
把检偏器对着被检光旋转一周，若得到
两明两零
光强不变
两明两暗
在光路中插入1/4波片，在光路中插入1/4波片,并使光轴与检 再旋转检偏器，若得 得的暗方位相重合,再旋转检偏器,若
线 偏 振
两明 两零 则为
光强 不变 则为
两明 两暗 则为
两明 两零 则为
两明两暗 但暗方位 与未插入 1/4波片时 相同则为
若当M//N看到所示的等厚直线形条纹，则当MN时， 根据互补原理原来的暗条纹就变成了亮条纹，亮条纹 则变成暗条纹，且条纹的对比度要比前者好。
••
•• 色偏振（互补原理的应用）
取不同厚度的云
椭圆偏振仪讲稿2
a-Si (N=3.4) Si (N=3.5)
Brewster‟s Angle
The p- and s-components reflect differently with angle. Note minimum in Rp, but not Rs. “Brewster‟s Angle.”
Reflectance of bulk SiO2, 632.8 nm
Tools: Generating Data
Demonstrate data caused by model variations: 1. Build Model in WVASE. 2. Choose ‘Range’ from Generate Data Window. 3. Press ‘Generate Data’
1200
1500
1800
Metals
• Show Ellipsometry vs. Angle, Ellipsometry vs. spectrum
Aluminum
46
Alum inum
45.0
44
P si in d e g re e s
44.0
42
P s i i n degr ees
Exp E 350nm Exp E 950nm
200
Bare Glass 55 Bare Glass 65 500nm SiO2 55 500nm SiO2 65
1000
1200
150
D in degrees
D in degrees
150 100 50
100
Wvl=270nm Wvl=670nm
55° 65° 75°
50
0
椭圆偏振光和圆偏振光课件
振动方向的比较
椭圆偏振光的振动方向沿着长轴方向，而圆偏振光的振动方 向是围绕传播方向旋转的。
椭圆偏振光的振动方向有两个分量，而圆偏振光只有一个垂 直于传播方向的振动分量。
传播方向的比较
椭圆偏振光在传播过程中，其电场矢量的端点轨迹为椭圆 ，而圆偏振光在传播过程中，其电场矢量的端点轨迹为圆 。
椭圆偏振光的电场矢量在垂直于传播方向的平面上振动， 而圆偏振光的电场矢量在垂直于传播方向的平面上以恒定 速度旋转。
圆偏振光的产生机制
圆偏振光可以通过两种方式产生：一种是利用二向色性介质和线性电偶 极子辐射的相干叠加；另一种是通过法拉第效应，即通过在透明介质中 旋转透射平面。
在第一种产生机制中，二向色性介质可以使得自然光转化为线偏振光， 而线性电偶极子辐射的相干叠加则可以将线偏振光转化为圆偏振光。
在第二种产生机制中，当自然光通过旋转透射平面时，其偏振态会发生 变化，经过多次反射和透射后，最终形成圆偏振光。
椭圆偏振光和圆偏 振光课件
目 录
• 椭圆偏振光的基本概念 • 圆偏振光的基本概念 • 椭圆偏振光和圆偏振光的特性比较 • 椭圆偏振光和圆偏振光的应用场景 • 椭圆偏振光和圆偏振光的实验研究
01
CATALOGUE
椭圆偏振光的基本概念
什么是椭圆偏振光
椭圆偏振光是一种电磁波，其电 场矢量在垂直于传播方向的平面 上振动，并沿着传播方向呈椭圆
THANKS
感谢观看
圆偏振光的分类
根据电场矢量端点在垂直于传播方向上画出的轨迹形状的不同，圆偏振光可以分 为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光两种。
右旋圆偏振光的电场矢量端点在垂直于传播方向上画出的轨迹是一个顺时针的圆 ，而左旋圆偏振光的电场矢量端点在垂直于传播方向上画出的轨迹则是一个逆时 针的圆。
高二物理竞赛课件：椭圆偏振光的起偏
线偏振光
椭圆（圆、线）偏振光
d
光轴
在入射点，o、e光的相位差为零或，在出射
点晶片对o、e光产生的附加相位差：
ne
no
d
2π
当
π 2
,
3π 2
，出射光为椭圆(圆)偏振光
当 π,3 π, ，出射光仍为线偏振光
3
晶片
y
Ae
Ax
光轴
P
Ao
Ae A
线偏振光 d
椭圆(圆、线) 光轴 偏振光
Ao
1、四分之一波(晶)片（quarter-wave plate）
9
偏振片P1 晶片C
单色自然光
偏振片P2 相干 屏
偏振化方向
d
光轴方向 偏振化方向
相位关系
通过晶体C后：
2πd
ne
no
此两束光合成为一束椭再通过P2 后：
Ao
2πd
ne
no
π
A2o
A2eP2
成为两束相干光。 10
2πd
ne
no
π
，与d 和 有关
•如果 2k π d 2k 1 , (k 1,2,)
注意：波片是对某个确定波长 而言的
【演示】四分之一波片 二分之一波片
5
椭圆与圆偏振光的检偏 【思考】如何用四分之一波片和偏振片区分
自然光和圆偏振光 部分偏振光和椭圆偏振光
6
自然光 圆偏振光
四 自然光 分 之 一 线偏振光 波 片
部分 部分偏振光 四 偏振光
分 之 椭圆偏振光 一 线偏振光 波 片
椭圆偏振光的起偏
椭圆偏振光的起偏
晶片：光轴平行于 ·· ··
表面的晶体薄片。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• Ferroelectic thin films such as BaxSr(1-x)TiO3,
Pb xZr(1-x)TiO3 system.
• Nitride doping α-DLC thin films. • TiO2 doping Polymide namometer materials. • SOI material and device. • ZnS-Ag-ZnS multilayers thin films. • Pb-Sr-Se semiconductor thin film on BaF2 substrate. • SnO2 on glass substrate
聚合物材料
SnO2 材料
光学梯度膜的测量
• Si基底上生长的SiC或Si3N4薄膜特点
Graded Film Substrate
Substrate
SiC薄膜所息
2 graded(sic_cauchy)/void 1 sic_cauchy 0 si_vuv
椭圆偏振仪的局限性
模型的任意性，变量之间的相关性， 数据分析过程有时会很复杂，最终结 果取决于分析人员的判断。
变角度光谱椭圆偏振仪
• 型号：W-VASE with AutoRetarderTM • 生产厂家：美国J.A.Woollam 公司 • 性能指标：
光谱范围：240-1100nm连续可调 光谱分辨率：0.5nm 光束直径：1mm 光束发散角：0.05o 测量速度：每个波长1-2s
S-P坐标系中电磁波的电场分量描述
Erp rp 0
Eip
Ers = 0 rs = Eis
则有rp= Erp / Eip，rs= Ers/ Eis
设入射电场分量与坐标轴成45o则Eip=Eis
tan(ψ)ejΔ=rp/rs =ρ(N0,N1,N2,d1,φ0,λ) =Erp/ Ers， 其中tan(ψ)为电场反射分量的振幅比，Δ为两
椭圆偏振仪
金承钰
上海交通大学分析测试中心 （上海市华山路1954号，中国上海，200030）
工作原理
入射光入射任何介质
Transmission=IT/IO Reflection=IR/IO
椭圆偏振测量术是研究两媒质间界面或薄膜中发生的 现象及其特性的一种光学方法，基于利用偏振光束在 界面和薄膜上反射或透射时出现的偏振态的变化。
0
2000
4000
6000
Distance from Substrate in ?
8000
多层膜的测量
• ZnS-Ag-ZnS多层膜的椭偏仪拟合结果ψ和∆
（Appl. Surf. Sci.v.183 (1-2), p103-110, Nov. 12 2001 ）
Ag、ZnS的n和k随λ变化曲线
模型的选择
者的相位差。
基本结构
椭圆偏振仪是一种偏振态探测设备， 椭偏仪假设被探测光线为100%偏振光 （线偏振、圆偏振或椭圆偏振）。 一般结构为： 光源→起偏器→样品→检偏器→探测器
仪器类型
• “零”偏振型 • 偏振调制型 • 回转元件型：回转起偏、回转检偏
RPE特点
单色仪置于起偏器之后，可抑制环 境光的影响，但存在光源残余偏振造 成的数据误差，且旋转起偏器可能造 成光束在样品上移动。
RAE特点
可消除光源残余偏振造成的任 何误差，但需系统在暗室中工作。
典型的椭圆偏振仪的操作和数据处理过程
Power Up→Verify →Alignment→Calibra tion→Acquire Data→Analysis (Model→Fit→Results)
最小均方差
MSE 1 2N M
液体样品池
主要应用
• 测量薄膜膜厚及其光学常数，如折射率、
消光系数、吸收系数、复介电函数等
• 测定材料的多层结构和表面粗糙度 • 研究梯度膜层和透明薄膜的折射率和厚度，
光学常数的梯度变化
• 测量镀碳磁盘的碳层厚度和光学常数以及
润滑层的厚度和表面粗糙度
• 无损研究与气态、液态周围媒质接触的表
面分子或原子的物理、化学吸附状态
N i1
imod iexp
exp ,i
2
mi od eixp
exp ,i
2
1 2N
M
2
模型拟合
• Cauchy色散关系模型 • Herzinger-JohsTM参数 • Lorentz • Drude • Gaussian • Harmonic • Tauc-Lorentz色散关系-谐振子等模型 • Urbach吸收模型
• 研究处于各种不同环境中的半导体及金属
表面的氧化问题及其成分分析
• 现场深入研究电极-电解液界面过程，并可
和其它常规电化学测量方法同步进行
• 研究血凝过程、薄膜抗原-抗体的免疫反应、
电吸附免疫试验和细胞表面的材料测定等
• 研究固体的辐射探伤，表征介电材料和半
导体材料制备过程中造成的表面机械损伤
现阶段工作
• ZnS膜层用的是Cauchy和Urbach模型
Cauchy色散关系： n(λ)=A+B/λ2+C/λ4 Urbach吸收模型： К(λ)=AКexp[BК(1.24(1/λ-1/CК))]
• Ag膜层用的是Lorentz模型
Lorentz色散关系-谐振子模型： ε=ε∞+（4πe2/m）∑[Nj/（ωj2-ω2）-iГjω]
7659.8 ? 0?
1 mm
拟合结果
• 梯度光学特性（EMA=-14.44，说明该材料的光
学梯度由基底到样品表面折射率是梯度增大）
Depth Profile of Optical Constants at 500nm
4.5
Index of refraction 'n'
4.0
n
3.5
3.0
2.5
2.0 -2000
重复性：ψ+/-0.015o，Δ+/-0.08o(与测量条件有关) 入射角：20-90oC连续可调，重复性优于0.005o X-Y移动台：150mm×150mm
• 主要附件配置：
光谱扩展系统： UV—200nm，NIR—1700nm。 聚焦系统：光斑可达直径200μm或更小(400-100nm)。 自动相位补偿器：实现0-360o范围内准确测量Δ。 固定角度垂直样品架