椭圆偏振光法测定介质薄膜的厚度和折射率 (2)
椭偏仪实验报告
实 验 报 告04级6系 王朝勇 PB04210066实验题目： 椭圆偏振光法测定介质薄膜的厚度和折射率实验目的：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：设介质层折射率分别为n 1、n 2、n 3,φ1为入射角,在界面1和界面2处会产生反射光和折射光的多光束干涉。
用2δ表示相邻两分波的相位差,其中δ=λϕπ/cos 222dn ,用r 1p 、r 1s 表示光线的p 分量、s 分量在界面1的反射系数,用r 2p 、r 2s 表示光线的p 分量、s 分量在界面2的反射系数。
由多光束干涉的复振幅计算可知：ip i p p i p p rpE e r r e r r E δϕ2212211--++= (1) is i s s i s s rs E er r e r r E δϕ2212211--++= （2）其中E ip 和E is 分别代表入射光波电矢量的p 分量和s 分量，E rp 和E rs 分别代表反射光波电矢量的p 分量和s 分量。
现将上述E ip 、E is 、E rp 、E rs 四个量写成一个量G ，即：∆==i is ip rsrp e tg E E E E G ψ//=δϕ2212211i p p i p p e r r e r r --++·δϕ2212211i s s i s s e r r e r r --++ (3)定义G 为反射系数比，可用ψtg 和∆表示它的模和幅角。
根据菲涅耳公式和折射公式知:G 是变量n 1、n 2、n 3、d 、λ、1ϕ的函数(2ϕ、3ϕ可1ϕ用表示)，即f tg 1-=ψ,f arg =∆，称ψ和∆为椭偏参数,上述方程表示两个等式方程：[∆i e tg ψ]的实数部分=[δϕ2212211i p p i p p e r r e r r --++δϕ2212211i s s i s s e r r e r r --++]的实数部分⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧===+-=+-=+-=+-=)9.....(..............................cos cos cos )8..(................................................../cos 42)7)......(cos cos /()cos cos ()6).......(cos cos /()cos cos ()5).....(cos cos /()cos cos ()4)......(cos cos /()cos cos (33221122332233222221122111322332232211221121ϕϕϕλϕπδϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕn n n dn n n n n r n n n n r n n n n r n n n n r s s p p[∆i e tg ψ]的虚数部分=[δϕ2212211i p p i p p e r r e r r --++δϕ2212211i s s i s s e r r e r r --++]的虚数部分若能从实验测出ψ和∆,原则上可以解出n 2和d(n 1、n 3、λ、1ϕ已知),根据公式(4)~(9),推导出ψ和∆与r 1p 、r 1s 、r 2p 、r 2s 、和δ的关系：δδψ2cos 212cos 2[212212212212p p p p p p p p r r r r r r r r tg ++++=δδ2cos 22cos 21212212212212s s s s s s s s r r r r r r r r ++++⋅]1/2 (10) δδ2cos )1()1(2sin )1(1222211221p p p p p p r r r r r r tg +++--=∆-δδ2cos )1()1(2sin )1(1222211221s s s s s s r r r r r r tg +++---- (11)这就是椭偏仪测量薄膜的基本原理。
椭圆偏振仪测量薄膜厚度和折射率
5
实验原理
一束自然光经偏振器变成偏振光,再经过1/4波 片使它变成椭圆偏振光入射在待测膜上;
反种变化,便可推算出待测膜面的膜 厚度和折射率.
A
6
多光反射示意图
p s d
A
n1 n2 n3
7
理论推导
总反射系数
Rp Erp/Eip
Rs Ers/Eis
引入两个物理量
反射光为线性偏振光 rprs0()
A
10
简化目的
ta n Erp/Ers 恰好是反射光p和s的幅值比,通过 检偏器角度A可求;
(ipis)0() 为光经过膜位相的改变,可通 过起偏器的角度P求得
A
11
简化条件的实现
起偏器加上1/4波片即可得到等幅椭圆偏振光; 调节起偏器的角度就可以使入射光的位相差连
续可调.
A
12
仪器校准
•自准法调光路水平和共轴 •利用布儒斯特角调节检偏器 •利用检偏器和起偏器的关系调节起偏器 •确定1/4波片
A
13
实验操作
将1/4波片快轴转到+450位置 仔细调节检偏器A和起偏器P，使目镜内的亮点最暗，
即检流计值最小。计下A、P的刻度值，测得两组消 光位置数值 将1/4波片快轴转到-450位置 重复2的工作。
其中：A分别取大于900和小于900 两种情况。
A
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测试结果点
A
15
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椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率
椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率摘要：椭圆偏振测量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，来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。
结合计算机后，椭圆偏振测量具有可手动改变入射角度、实时测量、快速数据获取等优点。
关键词：椭圆偏振偏振光偏振变换一、引言二、实验原理三、实验仪器本实验使用多功能激光椭圆偏振仪，由JJY型1分光计和激光椭圆偏振装置两部分组成，仪器安装调试后如图3.1-7所示。
其各部件功能如下：图3.1-7 实验仪器光源：包括激光管和激光电源。
激光管装在激光器座上，可以作水平、高低方位角调节和上下升降调节，发射632.8nm的单色光小孔光闸：保证激光器发出的激光束垂直照射在起偏器中心。
起偏器：产生线偏振光，读数头度盘刻有360个等分线，格值为1，游标度数为0.1，随度盘同步转动，其转角可在度盘上读出。
1/4波片：将线偏振光补偿为等幅椭圆偏振光，装在起偏器前端，与起偏器共用游标。
其读数为读数头度盘内圈刻度值。
载物台：支承被测样品，其使用调节方法见分光计说明书。
光孔盘：为防止杂散光进入检偏器而附设，可自由转动，并具有读数标尺，但它的方向对实验并无影响。
检偏器：与起偏器结构相同。
望远镜筒与白屏目镜：观察反射光状态。
四、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. 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°，使反射光在白屏上形成一亮点。
8. 分别用快速法，建表法，作图法测量硅衬底的薄膜折射率，薄膜基厚度和厚度周期。
9. 改变入射角，在入射角为65°，60°时再测两次。
五、数据处理实验采用氦氖激光器波长632.8nm，硅衬底n=3.85+0.02i。
实验记录数据如表1所示。
用椭圆偏振仪测量薄膜厚度共16页文档
用椭圆偏振仪测量薄膜厚度
电科091 刘涛
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
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 个量的总反射系数Rp和Rs定义为 RP＝Erp/Eip , Rs=Ers/Eis
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
END
（2）调节好样品态后，转动起偏器刻度盘手轮，目 测光强பைடு நூலகம்化，当光强最小时，起偏器位置保持不动。
（3）转动检偏器刻度盘手轮，目测光强变化，当光 强最小时，检偏器位置保持不动。
（4）此时将观察窗盖严，然后将转镜手轮转到光电 接收位置，观察放大器指示表（10-11），反复交替 微调起偏器、检偏器手轮，使表的示值最小（对应 消光）。
椭偏仪涉及领域有：半导体、通讯、数据存储、光学 镀膜、平板显示器、科研、生物、医药等。
早期的研究主要集中于偏振光及偏振光与材料相互作 用的物理学研究以及仪器的光学研究。计算机的 发展使椭偏仪在更多的领域得到应用。硬件的自动 化和软件的成熟大大提高了运算的速度，成熟的软 件提供了解决问题的新方法，因此，椭偏仪现在已 被广泛应用于 研究、开发和制造过程中。
椭圆偏振光法测定介质薄膜的厚度和折射律 (2)
椭圆偏振光法测定介质薄膜的厚度和折射律思路：在一光学材料上镀各向同性的单层介质膜后,光线的反射和折射在一般情况下会同时存在的.通常,设介质层为n 1、n 2、n 3,φ1为入射角,那么在1、2介质交界面和2、3 用r 1p 、 r 1s 表示光线的p 分量、s 分量在界面1、2间的总反射系数, 用r 2p 、r 2s 表示光线的p 分、s 分量在界面2、3间的总反射系数.有 1011011cos cos cos cos ϕϕϕϕn n n n r p +-= 1101101cos cos cos cos ϕϕϕϕn n n n r s +-= 211221122cos cos cos cos ϕϕϕϕn n n n r p +-= 221122112cos cos cos cos ϕϕϕϕn n n n r s +-=膜上反射的两相邻光束的相位差11cos 22ϕλπδd n ⋅=定义该薄膜系统的总反射比为:δδ2212211)()(i p p i p p i p rp p e r r e r r E E R --++==δδ2212211)()(i s s i s s i s r s s er r e r r E E R --++== 定义),,,,,(11)exp()()(,)exp()](exp[])()(exp[)()()()(210221*********λϕψββββββψψββββββδδδδd n n n f er r e r r e r r e r r i tg E E E E tg i tg i E E E E i i E E E E E E E E R R i s s i s s i p p i p p ir i s p r s p i s p r sp i r i s p r s p i s p r s p is p r s p i s r s i p rp s p=++•++=∆-=---=∆⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=∆=-•⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=---•⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==---- ψ和∆是可以用椭偏仪测量的量，∆的物理意义是椭圆偏振光的P 波和S 波间的相位差经薄膜系统反射后发生的变化，tan ψ是椭圆偏振光相对振幅的衰减。
椭圆偏振法测量薄膜厚度和折射率实验报告
椭圆偏振法测量薄膜厚度和折射率实验报告实验名称：椭圆偏振法测量薄膜厚度和折射率实验目的：利用椭圆偏振法测量薄膜的厚度和折射率，掌握椭圆偏振法的基本原理和实验操作方法。
实验原理：椭圆偏振法是一种常用的测量薄膜光学性质的方法。
当偏振光通过具有一定折射率的薄膜时，会发生透射和反射，经过反射和透射之后的光束会发生干涉现象。
当入射光是偏振光时，通过表层膜的透射光经过增偏器后变为线偏振光，其振动方向决定于表层膜的光学性质以及入射角。
通过调节增偏器的方向和旋转其角度，使得通过增偏器的振动方向与振动椭圆的长轴平行，此时称之为白光不通过表层膜，反射线偏振光与透射线偏振光的相位差为0. 形成一个相干叠加的椭圆偏振光。
根据椭圆偏振光的特性，可以通过测量椭圆偏振光的特性参数（主轴角度、椭圆离心率等）来确定薄膜的厚度和折射率。
实验装置：椭圆偏振仪、光源、待测试薄膜样品。
实验步骤：1. 启动椭圆偏振仪，调整光源使其达到合适的亮度和稳定性。
2. 将待测薄膜样品放置在椭圆偏振仪的样品台上，并通过对焦镜调整样品的焦距。
3. 调整增偏器的方向，使通过增偏器的线偏振光振动方向与椭圆的长轴平行。
4. 调整旋转台上的角度，使反射线偏振光与透射线偏振光的相位差为0，此时形成相干的椭圆偏振光。
5. 在椭圆偏振仪上的读数器上记录椭圆偏振光的主轴角度、椭圆离心率等参数。
6. 重复上述操作，测量多组数据，以提高测量准确度。
7. 根据测量得到的参数计算薄膜的厚度和折射率。
实验结果：通过测量多组数据，记录椭圆偏振光的主轴角度和椭圆离心率等参数，得到一组薄膜的厚度和折射率。
注意保留合适的有效数字。
实验讨论：1. 实验中应确保光源的稳定性和一致性，以获得准确的测量结果。
2. 实验中可以通过调整增偏器和旋转台的角度，使椭圆偏振光的参数达到最佳值，以提高测量精度。
3. 实验中应注意测量时的环境条件，避免与外部环境光的干扰。
实验结论：通过椭圆偏振法测量薄膜的厚度和折射率，可以得到薄膜的光学性质参数。
椭圆偏振光法测量薄膜的厚度和折射率
椭圆偏振光法测量薄膜的厚度和折射率摘要：本实验中，我们用椭圆偏振光法测量了MgF 2,ZrO 2,TiO 2三种介质膜的厚度和折射率，取MgF 2作为代表，测量薄膜折射率和厚度沿径向分布的不均匀性，此外还测量了Au 和Cr 两种金属厚膜的折射率和消光系数。
掌握了椭圆偏振光法的基本原理和技术方法。
关键词：椭偏法，折射率，厚度，消光系数 引言：薄膜的厚度和折射率是薄膜光电子器件设计和制备中不可缺少的两个参数。
因此，精确而迅速地测定这两个参数非常重要。
椭圆偏振光法就是一个非常重要的方法。
将一束单色椭圆偏振光投射到薄膜表面，根据电动力学原理，反射光的椭偏状态与薄膜厚度和折射率有关，通过测出椭偏状态的变化，就可以推算出薄膜的厚度和折射率。
椭圆偏振光法是目前测量透明薄膜厚度和折射率时的常用方法，其测量精度高，特别是在测量超薄薄膜的厚度时其灵敏度很高，因此常用于研究薄膜生长的初始阶段，而且由于这种方法时非接触性的，测量过程中不破坏样品表面，因而可用于薄膜生长过程的实时监控。
本实验的目的是掌握椭偏法测量薄膜的厚度和折射率的原理和技术方法。
测量几种常用介质膜的折射率和厚度，以及金属厚膜的复折射率。
原理：1. 单层介质膜的厚度和折射率的测量原理（1）光波在两种介质分界面上的反射和折射，有菲涅耳公式：121122112112211122322323223223322233cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos p s p s n n r n n n n r n n n n r n n n n r n n ϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕ-⎧=⎪+⎪-⎪=⎪+⎪⎨-⎪=⎪+⎪-⎪=⎪+⎩（tp-1）; （2）单层膜的反射系数图1 光波在单层介质膜中传播以上各式中1n 为空气折射率，2n 为膜层的折射率，3n 为衬底折射率。
1ϕ为入射角，2ϕ，3ϕ分别为光波在薄膜和衬底的折射角。
椭圆偏振法测定介质薄膜的厚度和折射率---实验问题
“椭圆偏振法测定介质薄膜的厚度和折射率”实验
思考题
1、光有哪几种偏振态？
2、椭圆偏振光是如何形成的？
3、根据你学过的光学知识，试举出改变光偏振态的几种方法。
4、本实验用什么方法产生偏振光？试简要说明其原理。
5、试说明马吕斯定律在本实验中的应用。
6、薄膜的厚度和折射率的测量有多种方法，试举例。
7、椭偏法测量薄膜的厚度和折射率有何优点？
8、试简述椭偏法测量薄膜厚度和折射率的基本原理。
9、1/4波片的作用是什么？就本实验而言，1/4波片方位如何？
10、在椭偏法中，入射光是椭圆偏振光，出射光是如何变成线偏振光的？
11、用什么方法检验线偏振光？
12、用反射型椭偏仪测量薄膜厚度时，对样品的制备有什么要求？
13、为了使实验更加便于操作及测量的准确性，你认为该实验中哪些地方需要改进？
实验要求
1、针对上述思考题，认真预习，并按预习报告要求写好预习报告。
2、动手实验前，任课教师将针对上述思考题提问并给出平时成绩。
3、没有预习报告者，不能做实验。
4、实验成绩更加注重平时成绩（占70%左右），平时成绩由三部分组成：（1）预习报告及实验报告；
（2）实验态度（如考勤，是否认真等）；
（3）回答问题。
希望班干部将上述内容及要求提前发给每一个学生。
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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ϕ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，
求出与之对应的厚度d和折射率n分别为
d=419.4nm； n=1.94
样品标注的参数为：d=400.0nm； n=1.98
所以测量值与理论值之间存在一定的误差
误差分析：
实验测得的折射率理论值偏小，其可能原因有：
1.待测介质薄膜表面有手印等杂质，影响了其折射率。
2.在开始的光路调整时，没有使二者严格共轴，造成激光与偏振片、1/4波片之间不是严格的正
入射，导致测量的折射率与理论值存在偏差。
3.消光点并非完全消光，所以消光位置只能由人眼估测，所以可能引入误差。
4.调整水平度盘时采用的是目测也给实验带来一定的误差。
5.仪器的精度也限制了实验的准确性。
思考题：
（网上下载资料上的思考题）
1．4/1波片的作用是什么？
答：4/1波片使得入射的线偏振光出射后为等幅的椭圆偏振光，从而出射光的P分量
和S分量比值为1，进而使超越方程变得简单。
2．椭偏光法测量薄膜厚度的基本原理是什么？
答：基本原理是：让一束椭圆偏振光以一定的入射角射到薄膜系统的表面，经反射后，
反射光的偏振状态（振幅和相位）会发生变化，而这种变化与薄膜的厚度和折射率有关，只
要能测量出偏振状态的变化量就能定出膜厚和折射率。
3．用反射型椭偏仪测量薄膜厚度时，对样品的制备有什么要求？
答：样品应为均匀透明各向同性的薄膜系统，而且当光束入射到平行平面薄膜上时，
会产生多条反射光和透射光，形成的是多光束的干涉。
当要利用反射光线时，应要求样品是
低反射率的，从而使上下表面首次反射的光线强度基本相等。
4．为了使实验更加便于操作及测量的准确性，你认为该实验中哪些地方需要改
答：本实验是利用传统的消光法来测量，但在实验中只用眼睛去判断消光位置，这会引起较大误差，我认为可以用精度较高的光电接收器来进行判断。
（新教材上的思考题）
1， 检偏器，起偏器透光方向的零刻度是如何定位的？
答：检偏器的零刻度定位：将检偏器（检偏器的透光为0゜方向）套在望远镜筒上，90゜读数朝上，将黑色反光镜置于载物台中央，使激光束按照布儒斯特角入射到黑色反光镜的表面。
根据布儒斯特定律，当入射角是布儒斯特角时，反射光将是垂直于入射面的完全线偏光，反射至望远镜筒内到达观察窗口白屏上成为一个亮点，转动整个检偏器，调整与望远镜的相对位置，使观察窗口白屏上的光点达到最暗后固定检偏器，此位置即为检偏器的零刻度；
起偏器的零刻度定位：将起偏器套在平行光管镜筒上，0゜读数朝上。
取下黑色反光镜，将望远镜系统转回原来位置，使起偏器，检偏器共轴，并使激光束通过中心，调整起偏器与镜筒的相对位置，找出最暗位置即为起偏器的零刻度位置。
2， 4/1波片的作用是什么？
答：同上1
3， 等幅椭圆偏振光是如何获得的，简述其原因？
答：置4/1波片快轴于内刻度圈的示数45︒（-45︒），此时无论起偏器转动在何位置，经4/1波片出射的光均为等幅椭圆偏振光。
因为加入了4/1波片后，振幅满足下式：
)4/(2/02
24/sin 4/cos ππππ-=-=P i i s f x e e E E E E )4/(2/0224/cos 4/sin ππππ--=
+=P i i s f y e e E E E E 由上式知x 轴、y 轴上的振幅分量都为2/20E ，所以得到的是等幅椭圆偏振光。
实验总结：
本次实验的目的基本达到，了解了椭偏仪测量薄膜参数的基本原理.也初步了解了反射型椭偏仪的使用方法，而且对实验中的可能带来误差的因素有了一定的。