椭偏仪测量薄膜厚度和折射率实验报告
椭偏仪测量薄膜厚度和折射率实验报告
组别：69组 院系：0611 姓名：林盛 学号：PB06210445 实验题目：椭偏仪测量薄膜厚度和折射率
实验目的：了解椭偏仪测量薄膜参数的原理，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1
4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?=--
这时需测四个量，即分别测入射光中的两分量振幅比和相位差及
反射光中的两分量振幅比和相位差，如设法使入射光为等幅椭偏光，
1/=is ip E E ，则=ψtg rs rp E E /；对于相位角，有：
)()(is ip rs rp ββββ---=? ? =-+?is ip ββrs rp ββ-
因为入射光is ip ββ-连续可调，调整仪器，使反射光成为线偏光，即
rs rp ββ-=0或（π），则)(is ip ββ--=?或)(is ip ββπ--=?，可见?只
与反射光的p 波和s 波的相位差有关，可从起偏器的方位角算出.对于特定的膜, ?是定值,只要改变入射光两分量的相位差)(is ip ββ-,肯定会找到特定值使反射光成线偏光, rs rp ββ-=0或（π）。
实验仪器：椭偏仪平台及配件 、He-Ne 激光器及电源 、起偏器 、检偏器 、
四分之一波片、待测样品、黑色反光镜等。
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700即望远镜转过
400,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。
实验数据： 实验测得数据如下：
1
4波片放置角度 45? —45?
n 1 2 3 4
A （?） 96.5 86.0 87.9 98.8
P （?） 170.7 84.7 190.8 101.5
（注：试验中，对于角度大于180度，计算时减去180度。）
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：
2.12 d=564nm
n =
误差分析：
实验测得的折射率比理论值偏大，厚度比理论值偏小，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. 由于实验中需多次转动及调节、安装仪器，会破坏仪器的共轴特性。虽经多
次调节，但还是会产生误差。
思考题：
1. 4/1波片的作用是什么？
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 分量比值为一，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？
让一束椭圆偏振光以一定的入射角入射到薄膜系统的表面，经反射后，
反射光束的偏振状态（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，因此只要能测量出偏振状态的变化量就能定出
膜后和折射率。具体关系反应在下面两个方程中：
δδψ2cos 212cos 2[212212212212p p p p p p p p r r r r r r r r tg ++++=δ
δ
2cos 22cos 21212212212212s s s s s s s s r r r r r r r r ++++?]1/2
δδ2cos )1()1(2sin )1(1222211221p p p p p p r r r r r r tg +++--=?-δ
δ
2cos )1()1(2sin )1(1222211221s s s s s s r r r r r r tg +++----
所以若能利用消光法从实验测出椭偏系数ψ和?，原则上就可以解出
薄膜的厚度和折射率。
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？
样品应为均匀透明各向同性的薄膜系统，反射率较高一点，以便于增
强反射光的强度，而且薄厚均匀透明，从而利于实验的进行和精度要
求。如本实验就是采用硅衬底的均匀透明各向同性的薄膜系统。
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
需要改进？
在判断消光时，由于每个人的判断标准不同，所以容易产生误差。而且长时间的观察时眼睛观察能力下降，不易判断消光现象。这些会引起较大误差，我认为可以用精度较高的光电接收器来进行判断。
实验总结：
本实验是光学实验。对于光学试验，最为重要得是光路的调节，光路的调节准确与否，直接影响了试验的精度。因此，要准确调节光路。在安装起偏器和检偏器以后，都要看一看是否依旧保持光线同轴。同时，由于光学仪器本身的精密性，严禁用手触摸。还要轻拿轻放。
本实验巧妙的设计，使光通过1/4波片之后，光变成等幅椭圆偏振光，使得，/1ip is E E =，使得//rp rs
ip is
E E tg E E ψ=变为
/rp rs tg E E ψ=，计算可以大
大的简化。通过调整仪器，使反射光成为线偏光，即0rp rs ββ-=或（π），则()ip is ββ?=--或()ip is πββ?=--，可使问题简化。
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