用橢圆偏振仪测量薄膜厚度叶昕.pptVIP

用椭圆偏振仪测量薄膜厚度 ——叶昕 【实验目的】 （1）了解薄膜的厚度测量的基本原理。 （2）利用椭圆偏振光消光法，测定透明薄膜的厚度。 【实验原理】 有一束自然光通过起偏器后，变成了线偏振光，再经过一个波片，变成了椭圆偏振光。这样的椭圆偏振光入射到待测的薄膜表面上时，反射光的偏振状态发生了变化。我们测量这种变化，就可以计算出待测薄膜的厚度。 （1）椭偏方程与薄膜折射率和厚度的测量 图8.1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。 图8.1 设 表示光的入射角，和分别为在界面1和2上的折射角．根据折射定律有 （8.1） 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 （8.2） 经计算可得 （8.3） 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。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 （8.4） 式（8.4）即著名的菲涅尔（Fresnel）反射系数公式。由相邻两反射光束间的光程差，不难算出 （8.5） 式中，为真空中的波长，d和n2为介质膜的厚度和折射率． 在椭圆偏振法测量中，为了简便，通常引入另外两个物理量和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为 上式简称为椭偏方程，其中的和称为椭偏参数（由于具有角度量纲也称椭偏角）． 由式（8.1）、（8.4）、（8.5）和上式可以看出，参数和是n1, n2, n3, 和d的函数．其中n1, n2, 和可以是已知量，如果能从实验中测出和的值，原则上就可以算出薄膜的折射率n2和厚度d．这就是椭圆偏振法测量的基本原理． 实际上，究竟和的具体物理意义是什么，如何测出它们，以及测出后又如何得到n2和d，均须作进一步的讨论。 和的物理意义? 用复数形式表示入射光和反射光的p和s分量 （8.6） 式中各绝对值为相应电矢量的振幅，各值为相应界面处的位相．由式（8.6）、（8.6）可以得到式（8.7） （8.7） 比较等式两端即可得 （8.8） （8.9） 式（8.8）表明，参量与反射前后p和s分量的振幅比有关．而（8.9）式表明，参量与反射前后p和s分量的位相差有关．可见，和直接反映了光在反射前后偏振态的变化．一般规定，和的变化范围分别为 和 。 当