光学测试技术课件第六章优秀PPT.ppt

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1、光学测试技术课件第六章第1页，本讲稿共68页第六章 偏振光分析法测量n根据测量偏振矢量波的偏振态来确定被测试样的相位差，从而求出被测试样的其它参数（如应力、膜层折射率和厚度、波像差等）的方法，称为偏振光分析法。n近年来，偏振光分析法在光学测量中的应用有很大发展。在光学玻璃应力双折射测量、双折射晶片及玻片相位差的测量方面，已由普通的单1/4玻片法发展为半影法（用半影检偏器的1/4玻片法）、光电晶体补偿法和应用横向塞曼激光器的测量法等，这些方法是测量双折射光程差的准确度提高了几倍到几十倍。在椭圆偏振术（简称椭偏术）方面，自1945年A.Rothen描述了一种测定薄膜表面光学性质的仪器（即椭圆偏振测

2、量仪）以来，无论在理论上和应用上都有了很大发展。第2页，本讲稿共68页第六章 偏振光分析法测量n在我国，60年代就研制了椭偏仪。近年来，微机控制的单色椭偏仪已有了正式产品，能测固体材料光学性质的椭偏光谱仪几年前已研制成功，国内最近进一步研制出同步旋转起偏器和检偏器的可变入射角的波长扫描型椭偏仪。现在。测量光学薄膜特性的椭偏仪已由采用消光法发展为新的光度法，它使设备简单、精度提高、速度加快，而且还扩大应用范围。80年代国内在偏振光分析法应用上的重要进展是实现了压电晶体或电光晶体的条纹扫描干涉仪和采用布拉格盒的外差干涉仪结构简单，容易实现移相，并且应用范围还会广泛一些。由于采用偏振光分析法的设备较

3、简单而测量准确度较高，它必将在光学测量中发挥越来越大的作用。第3页，本讲稿共68页第一节 偏振光分析法基本原理（1 1）两个频率相同、振动方向垂直的单色光波的叠加）两个频率相同、振动方向垂直的单色光波的叠加或写成：消去参变量 ，合振动矢量末端运动轨迹方程为：其中：当 时，合成光波为线偏振光；当 时，合成光波为也为线偏振光；当 时，合成光波为正椭圆偏振光；第4页，本讲稿共68页第一节 偏振光分析法基本原理（2 2）玻片）玻片 玻片能使偏振光的两个互相垂直的线偏振光之间产生一个相对相位延迟，从而改变它的偏振态。n玻片是由透明晶体制成的平行平面薄片，其光轴与表面平行。当一束线偏振光垂直入射到单轴晶体

4、制成的玻片时，在玻片中分解成沿原方向传播但振动方向互相垂直的 光和 光（两光的传播方向相同），由于两光在晶片中的速度不同，但通过厚度为 的晶片后产生相应的相位差为（）半波片（或 玻片）使得线偏振光通过后仍然为线偏振光，圆偏振光入射，出射光是旋向相反的圆偏振光；第5页，本讲稿共68页第一节 偏振光分析法基本原理（）玻片使得入射线偏振光变为椭圆偏振光，若入射线偏振光的光（电）矢量与玻片的快（慢）轴成45角时，将得到圆偏振光。（3 3）偏振的矩阵表示）偏振的矩阵表示偏振的矩阵表示法，能够提供一种最简练的矩阵形式进行最简单的矩阵运算，来推算偏振器件组成的复杂系统对出射光波状态作用的方法，而不必去追究其

5、中每一过程的具体物理意义，琼斯矩阵就是其中适于相干光波的一种矩阵形式。第6页，本讲稿共68页第一节 偏振光分析法基本原理（）偏振光的琼斯矢量表示）偏振光的琼斯矢量表示设主轴系统中偏振光 的两个正交分量的复振幅为：矩阵表示法就是用一个琼斯矢量的列矩阵来表示偏振光：第7页，本讲稿共68页第一节 偏振光分析法基本原理（）偏振光的琼斯矢量表示）偏振光的琼斯矢量表示偏振光的强度是它的两个分量的强度和，即通常我们研究的往往是光强度的相对变化，所以其归一化形式可以用 去除 的每一个分量（使得两分量的平方和为1）而得到。考虑到偏振态的形状、位置及旋向仅取决于两分量的振幅比 和相位差 ，因此归一化的琼斯矢量可以

6、写为：第8页，本讲稿共68页第一节 偏振光分析法基本原理（）偏振光的琼斯矢量表示）偏振光的琼斯矢量表示以下是几个偏振光的归一化琼斯矢量的例子光矢量与 轴成 角，振幅为 的线偏振光：线偏振光：归一化的琼斯矢量为：长轴沿 轴，长短轴之比为21的右旋椭圆偏振光右旋椭圆偏振光：归一化的琼斯矢量为：第9页，本讲稿共68页第一节 偏振光分析法基本原理左旋圆偏振光归一化的琼斯矢量为：把偏振光用琼斯矩阵表示，特别方便计算两个或多个给定的偏振光叠加的结果。例如两个振幅和位相相同，光矢量分别沿 轴和 轴的线偏振光的叠加，用琼斯矢量来计算就是：而：第10页，本讲稿共68页第一节 偏振光分析法基本原理线偏振光圆偏振光

7、光矢量沿 轴光矢量沿 轴光矢量与 轴成45角光矢量与 轴成 角右旋左旋第11页，本讲稿共68页第一节 偏振光分析法基本原理（）偏振器件的琼斯矩阵表示）偏振器件的琼斯矩阵表示偏振光通过偏振器件之后，光的偏振态将发生变化。若入射光的偏振态表示为 ，经过偏振器件后变为 ，则偏振器件的线性变换作用可以用一个二行二列的矩阵来表示，即有：或称G矩阵为该偏振器件的琼斯矩阵。式（3）的分量形式为：式中，一般为复常数。第12页，本讲稿共68页第一节 偏振光分析法基本原理（）偏振器件的琼斯矩阵表示）偏振器件的琼斯矩阵表示n式（5）表明偏振器件在偏振态转换中起着线性变换作用，新的偏振态的两个分量是原来偏振态两分量的

8、线性组合。n下面举例求取偏振器件的琼斯矩阵例例1 1：线偏振器件的琼斯矩阵：线偏振器件的琼斯矩阵设偏振器透光轴与 轴成 角，如图所示建立 坐标系，入射光在 轴上的两个分量分别为 和 ，将它们在线偏振器透光轴方向上投影。入射光通过线偏振器后，和 沿透光轴方向的分量分别为 和 ，将这两个分量的组合在 上再投影，得到出射光的两个分量 和 ，即+透光轴第13页，本讲稿共68页第一节 偏振光分析法基本原理（）偏振器件的琼斯矩阵表示）偏振器件的琼斯矩阵表示比较式（5），可得线偏振器的琼斯矩阵为：第14页，本讲稿共68页第一节 偏振光分析法基本原理（）偏振器件的琼斯矩阵表示）偏振器件的琼斯矩阵表示例例2 2

9、：玻片的琼斯矩阵：玻片的琼斯矩阵设玻片的快轴与 轴成 角，通过玻片后两光产生的相位差为 。如图所示建立坐标系。取入射偏振光为 ，则两分量在玻片快、慢轴上的分量和为：快轴慢轴第15页，本讲稿共68页第一节 偏振光分析法基本原理（）偏振器件的琼斯矩阵表示）偏振器件的琼斯矩阵表示例例2 2：玻片的琼斯矩阵：玻片的琼斯矩阵或表示为：从玻片出射时，必须考虑快、慢轴上分量的相对相位延迟，于是，从玻片出射的分量变为：或表示为：这两个分量再分别在 轴上投影，得到出射光琼斯矢量在 轴上的两分量为：快轴慢轴第16页，本讲稿共68页第一节 偏振光分析法基本原理（）偏振器件的琼斯矩阵表示）偏振器件的琼斯矩阵表示例例2

10、 2：玻片的琼斯矩阵：玻片的琼斯矩阵或表示为：代入各量，得：整理后，得到玻片的琼斯矩阵为：其中 为快慢轴的相位差；为快轴与 轴的夹角。快轴慢轴第17页，本讲稿共68页第一节 偏振光分析法基本原理（）偏振器件的琼斯矩阵表示）偏振器件的琼斯矩阵表示以下是典型偏振器件的琼斯矩阵：线偏振器透光轴与 轴成45透光轴在 方向透光轴在 方向透光轴与 轴成 角第18页，本讲稿共68页第一节 偏振光分析法基本原理玻片半波片 快轴在 方向快轴在 方向快轴与 轴成45角快轴在 或 方向快轴与 轴成45角第19页，本讲稿共68页第一节 偏振光分析法基本原理典型偏振器件的琼斯矩阵快轴在 方向慢轴在 方向（相位延迟角为）

11、快轴与 轴成45第20页，本讲稿共68页第一节 偏振光分析法基本原理n用偏振光分析法确定被测试样相位差的基本原理是：入射线偏振光通过被测试样和某种偏振器件（泛指产生椭圆偏振光、圆偏振光或线偏振光的器件）或先通过偏振器件再通过被测试样，之后，又成为线偏振光。但其振动方向相对于原入射偏振光的振动方向偏转了一个角度，该角度与被测试样的相位差成简单的线性关系。n实际上述基本原理的方案有两种：一种是将试样放在起偏器与1/4玻片（具有双折射光程差为/4或相位差为/2的薄晶片）之间，绕通光方向转动试样或试样不动同步转动其它全部偏光器件，使从1/4玻片出射的是振幅相同的左旋和右旋圆偏振光，合成为线偏振光，其电

12、矢量方位角与被测试样相位差线性相关。第21页，本讲稿共68页第一节 偏振光分析法基本原理n第二种方案是：将试样放在1/4玻片和检偏器之间，绕通光方向转动起偏器，当出现消光现象时，起偏器振轴的方位角与被测试样的相位差线性相关。n定义线偏振器振轴的方向为自然光通过线偏振器后成为线偏振光的振动方向。一、试样在起偏器和1/4玻片之间的方案光学系统简图和各偏振器及试样所对应的电矢量的方位图如图6-1所示。起偏器2试样3玻片4检偏器5ST45起偏器2试样3玻片4起偏器2试样3检偏器5玻片4起偏器2试样3第22页，本讲稿共68页一、试样在起偏器和1/4玻片之间的方案单色平行光通过起偏器2成为线偏振光，设其振

13、动方向 平行于 轴，再经过有双折射的试样3，成为两束振动方向 互相垂直线偏振光（一般合成为椭圆偏振光），当振动方向之一（如 ）与 轴成45角时，这两束线偏振光通过快、慢方向 分别与 轴平行的1/4玻片后又合成为线偏振光。检偏器5的偏振轴 的起始方位与 轴平行，即不放入试样时视场是消光的。起偏器2试样3玻片4检偏器5ST45第23页，本讲稿共68页一、试样在起偏器和1/4玻片之间的方案下面导出透过1/4玻片后线偏振光的方位角与试样相位差的数学关系。设经起偏器的线偏振光表示为 ，经相位差为 的试样，当试样的快方向与 轴成+45角时，对应的琼斯矩阵为：玻片的矩阵，当快方向与 轴平行时为第24页，本讲

14、稿共68页一、试样在起偏器和1/4玻片之间的方案经1/4玻片后的光束可表示为：这是一束振动方向与 轴成 角的线偏振光。转动检偏器到消光时，转过的角度 就等于 。起偏器2试样3玻片第25页，本讲稿共68页一、试样在起偏器和1/4玻片之间的方案n当试样的慢方向与 轴成+45角时，对应的琼斯矩阵为：这时可求得：这是一束振动方向与 轴成 角的线偏振光。第26页，本讲稿共68页一、试样在起偏器和1/4玻片之间的方案这是一束振动方向与 轴成 角的线偏振光。反方转动检偏器到消光时，转过的角度也是 。最后得第一种方案出射线偏振光电矢量的方位角 与被测试样的相位差 的关系为：起偏器2试样3玻片4检偏器第27页，

15、本讲稿共68页二、试样在1/4玻片和检偏器之间的方案其光学系统简图和各偏光器件及试样所对应的电矢量方位图如图6-2所示。设起偏器的偏振轴与 轴的夹角为 ，透过光的琼斯矢量为：玻片快方向与 轴成45角，其琼斯矩阵为：设被测试样的快方向平行于 轴，琼斯矩阵为：起偏器P试样S玻片检偏器A第28页，本讲稿共68页二、试样在1/4玻片和检偏器之间的方案经试样出射的光束可表示为:由式（6-4）可以看出，当出射光束成为线偏振光，当 为偶数时，其振动方向与 轴成+45角；当 为奇数时，则与 成-45角。第29页，本讲稿共68页二、试样在1/4玻片和检偏器之间的方案设式（6-4）表示的光束通过偏振轴与 成+45

16、的检偏器，其琼斯矩阵为：可得：上式是略去了两正交偏振光的公共因子后的结果。对应光强为：转动起偏器改变 角，当 ，为奇数时，即出现消光现象。这时可由测得的 求出相位差 。显然，若检偏器的偏振轴与 轴成-45角。则 为偶数时消光。第30页，本讲稿共68页二、试样在1/4玻片和检偏器之间的方案转动起偏器，测出不同时刻的光强值 ，利用正交选频积分也可求得相位差 ：这时由于光束被限制，从而有效地避免了光路中引入的扰动。如果经试样后两正交偏振光的振幅不相等，设分别为A和B，并且 ，则试样的琼斯矩阵为（快方向平行于 轴）：第31页，本讲稿共68页二、试样在1/4玻片和检偏器之间的方案经试样出射光束可表示为：

17、要使该光束经检偏器后的出射光束的光强正比于式（6-5）所示的 ，只需转动检偏器使其偏振轴与 轴成 角即可，此时检偏器的琼斯矩阵为：第32页，本讲稿共68页二、试样在1/4玻片和检偏器之间的方案光束经检偏器后可得：这是一束线偏振光，振动方向与 轴成 角，光强正比于 。转动起偏器改变 角，当 为奇数时消光。由测得转角 即可求出试样的相位差 。从以上分析可见，第二方案较适用于试样不宜转动，经试样后两正交偏振光振幅不相等的测量系统中。第33页，本讲稿共68页第六章 偏振光分析法测量 第二节光学玻璃应力双折射测量第34页，本讲稿共68页第二节 光学玻璃应力双折射测量n光学玻璃毛坯的内应力通常是指从退火温

18、度冷却的过程中，毛坯中心和边缘部分不可避免的温度差而产生的应力。这种退火后永久留下来的应力称为退火应力，又称残余应力（以下简称应力）。应力使玻璃由各向同性体变为各项异性体，光学上产生双折射现象。我们是通过测出的应力双折射（单位厚度的双折射光程差称为应力双折射）来衡量玻璃中应力的大小的。同时也可以衡量玻璃的退火的质量。一、应力与双折射光通过有应力的玻璃会产生双折射。受均匀单向力的玻璃，其光学性质如同一块单轴晶体，光轴方向就是作用力的方向。第35页，本讲稿共68页一、应力与双折射n非常光（e光）的振动方向在主截面（入射光与光轴构成的平面）内，寻常光（o光）的振动方向垂直于主截面。n玻璃受到单向拉应

19、力时，其光学性质如同单轴正晶体，即 （）；受单向压应力时，则如同单轴负晶体，（）。n正、负晶体的快慢方向及e光振动方向如图图6-3所示。光线光轴E光振动方向（慢）光轴E光振动方向（快）光线（a）正晶体（b）负晶体第36页，本讲稿共68页一、应力与双折射n平行光垂直光轴通过晶片时，产生的双折射光程差最大，亦即光束方向对应于最大双折射率 方向。对玻璃来说，垂直于光轴的方向就是垂直于玻璃的主应力方向。我们规定以垂直于主应力方向测得的值来表征主应力的大小。双折射光程差由下式计算 式中 d晶片或玻璃板的厚度。n从有应力的玻璃中取一立方体单元，一般情况单元受三个方向的应力 。若光线沿z轴方向通过立方体单元

20、，产生的应力双折射 （单位厚度的双折射光程差）与两个应力 之差成正比第37页，本讲稿共68页一、应力与双折射n比例系数B称为应力偏光系数，又称应力光学系数。若取P的单位为 ，的单位为 ，则B的单位为“布”（Brewster），。应力偏光系数的大小与玻璃成分有关：冕牌玻璃B=2.53.7布；重火石玻璃B=0.72.0布；其他牌号玻璃的B值大多介与上述二者之间。n式（6-8）是根据麦克斯韦于1852年建立的应力光学定律得来的。n若在垂直于光束的方向上，玻璃只有一个主应力 ，则有上式表达了应力双折射与应力的比例关系。故应选择玻璃上只有一个主应力的点进行应力双折射的测量，并且光束入射方向与主应力垂直。

21、第38页，本讲稿共68页一、应力与双折射n根据国家标准GB903-87，玻璃的应力双折射标准有玻璃中部的和玻璃边缘的两种。前者以玻璃块最长边中部单位长度上的光程差 表示；后者以距玻璃边缘为5%的直径或边长处各点中最大的单位厚度上的光程差 表示。并且要求光束垂直式样表面入射。中部和边缘的测量点与光束入射方向如图6-4中的A-B点和、方向。n根据玻璃退火后的主应力分布规律，上述中部和边缘的各测量点一般都只有一个主应力，并且应力方向平行于玻璃表面，所以测量光束要垂直于表面入射，如图6-4中的、方向。AB第39页，本讲稿共68页第二节 光学玻璃应力双折射测量若用 或 来衡量玻璃退火后的质量，则退火后的

22、玻璃毛坯只允许表面研磨或抛光，不允许切割，因为切割后应力分布规律和应力的大小都将改变。二、双折射光程差的测量方法（一）简易偏光仪法n通常用偏光仪测量玻璃的双折射光程差，最简单的偏光仪由起偏器和检偏器组成，二者的偏振轴互相垂直或平行。将有应力的圆玻璃板置于两个偏振器之间，根据视场中看到的亮暗条纹判断玻璃式样中应力双折射的大小及主应力的方向。n为了有效地应用简易偏光仪，首先要对玻璃退火后应力分布的一般规律有所了解。第40页，本讲稿共68页二、双折射光程差的测量方法（一）简易偏光仪法n假设圆玻璃板是放在圆柱形退火炉的中心进行退火的，而且炉内温度对称于炉轴线分布，这样退火后的玻璃的应力是对称于圆玻璃板

23、中心分布的，如图6-5的左图所示，图中 和分别表示切向应力和径向应力；圆玻璃板侧面的应力分布如图6-5右图所示，图中 表示中部应力，R0.57R第41页，本讲稿共68页二、双折射光程差的测量方法（一）简易偏光仪法无论是 还是 都是指光束通过玻璃板整个厚度或沿直径通过后的综合应力，不是玻璃表面或某一层的应力。若玻璃板不放在炉子中央，或玻璃不是圆形的，应力分布都不同。n因此，测量边缘应力时，测量点应选在距大面边缘为直径5%处，这时近似只有一个主应力，为切向压应力 ；R0.57R第42页，本讲稿共68页二、双折射光程差的测量方法（一）简易偏光仪法n测量中部应力时，光线应垂直于C点通过玻璃，这时近似也

24、只有一个主应力，为切向拉应力 。n沿厚度方向距中心各0.57a的两个截面上，应力为零，即有两个零应力面，光线沿这两个面入射时，其双折射光程差为零。R0.57R第43页，本讲稿共68页二、双折射光程差的测量方法（一）简易偏光仪法n若光线垂直于大面入射，由于中心点O受到各方向的拉应力，这相当于式（6-8）中的 ，故 。n距中心O为0.57R的圆周上各点的切向应力 ，仅有径向拉应力 。n对应于应力分布，就能知道通过起偏器的平行单色线偏振光分布通过圆玻璃板的大面和侧面后，经正交的检偏器看到的亮暗条纹分布情况了。R0.57R第44页，本讲稿共68页二、双折射光程差的测量方法（一）简易偏光仪法如图所示，当

25、有应力的玻璃试样放在正交的起偏器 和检偏器 之间可以看到亮暗条纹，分布如下：（1）大面中心因双折射光程差为零，故为暗圆斑；（2）由中心到边缘双折射光程差逐渐增加，条纹变亮，应力较大时还会出现一至数个同心的亮暗相间的圆条纹，如果改用白光照射，亮暗条纹将变为彩色条纹。颜色相同的某一圆条纹的光程差相同，这种因光程差变化而产生的条纹称为等色线。第45页，本讲稿共68页二、双折射光程差的测量方法（一）简易偏光仪法n相邻两同色或等亮度的等色线之间的光程差 的变化量为 ，相位差 的变化量为 。n在大面上还可以看到一个暗十字形的条纹，并且绕中心转动玻璃时，暗十字条纹不动，若玻璃板不动，起偏器和检偏器一起转动，

26、则暗十字同步转动。这时因为玻璃板上对应暗十字条纹中心的各点的径向应力 和切向应力 的方向不是平行于偏振轴 ，就是垂直于 ，第46页，本讲稿共68页二、双折射光程差的测量方法（一）简易偏光仪法n由前所述应力与双折射的关系知：e光振动方向平行于应力方向，所以通过了玻璃板上对应十字条纹中心各点的光学不是仅有e光，就是仅有o光，而且它们的振动方向都平行于，因而都通不过检偏器而呈现暗纹。n因应力方向平行或垂直于偏振轴 而产生的暗纹称为等倾线。n如图6-6所示的等倾线，等倾线是暗线，而且不是平行就是垂直于 。由等倾线的位置可以知道该处的主应力方向。n由 的等色线的位置，即可根据等色线的分布情况估计出玻璃板

27、的双折射光程差的分布情况。第47页，本讲稿共68页二、双折射光程差的测量方法（二）单1/4玻片法n若要定量测量双折射光程差，推荐采用1/4玻片法，因为它设备简单，测量可靠。对退火质量较好的光学玻璃，一般 ，这时用1/4玻片法有较高的测量准确度。n单1/4玻片法只用一块1/4玻片，椭圆偏振光通过1/4玻片，只要椭圆的长短轴分别与1/4玻片的快慢轴平行，从1/4玻片出射的将是线偏振光。本方法就是利用这个特性来测量玻璃的双折射光程差的。测量原理图如图所示：慢快慢快慢快慢快慢快慢快慢快慢快慢快第48页，本讲稿共68页（二）单1/4玻片法如图所示，单色自然光经起偏器1成为单色线偏振光，经由被测试件一般成

28、为椭圆偏振光，当试件2的快、慢轴方向 与起偏器的偏振轴 成45角，经试件出射的光将是沿线偏振轴的正椭圆偏振光，即椭圆偏振光的长短轴 必有一个与起偏器的偏振轴 平行。慢快第49页，本讲稿共68页（二）单1/4玻片法n如果1/4玻片的快（或）慢轴分别与起偏器轴（椭圆偏振光的长或短轴）平行，则从1/玻片出射的光将成为线偏振光。n要使椭圆长短轴 分别与1/4玻片的快慢轴 平行，只需未放入试件前调整1/4玻片，使其快、慢轴分别起、检偏器的偏振轴 平行即可（此时视场最暗）。慢快第50页，本讲稿共68页（二）单1/4玻片法（1）若1/4玻片的慢轴方向N平行于 ，则如图所示。这时通过1/4玻片后，椭圆偏振光在

29、 轴上二分量之间原有的 相位差刚好被1/4玻片产生的相位差抵消，于是合成线偏振光，其振动方向与 轴夹角为 ，（为玻璃被测点的双折射相位差）。慢快第51页，本讲稿共68页（二）单1/4玻片法线偏振光再通过后面的检偏器（其透光轴为 ，与 行），当检偏器 逆时针转过角度 时视场又复最暗，所以被测点的双折射光程差为：第52页，本讲稿共68页（二）单1/4玻片法（2）若1/4玻片快轴方向M平行于 （或者试件的慢方向为 方向时），经1/4玻片后,椭圆偏振光 轴上二分量之间的相位差增加到 ，也合成线偏振光，其振动方向与夹角也是 ，但 角的方位有所不同。如图所示，这时检偏器顺时针转过 角视场最暗。若逆时针旋转

30、检偏器，则需转过180-。第53页，本讲稿共68页（二）单1/4玻片法测出试件中部的 或边缘的 值后，再测出试件通光方向的长度 值，则试件每厘米长的双折射光程差 或 为：如果玻璃的内应力较大，就当试件被测点的双折射光程差时，首先应找到试件通光面上 的点，这时用白光代替单色光，则可看到彩色的等色线，其中无颜色的暗点或暗纹即为试件上 的位置。n区别 的暗纹与暗的等倾线的方方法是起偏器、1/4、检偏器一起转动，不动的即为 的暗点或暗纹。第54页，本讲稿共68页（二）单1/4玻片法n测量时，改用单色光，数出从零点到被测点之间的暗纹数 （整数），再用前述方法测出分数部分对应的 角，被测点的双折射光程差为

31、：n由算出的 或 与标准GB903-87给出的数值对照，即可测定出被测试件的原理双折射类别。玻璃毛坯按双折射（内应力）的大小分类：类别每厘米最大光程差/nm1226310420530第55页，本讲稿共68页（二）单1/4玻片法用用1/41/4玻片测量光学玻璃的双折射光程差的步骤：玻片测量光学玻璃的双折射光程差的步骤：（1）先调整起偏器和检偏器的偏振轴正交，视场最暗；（2）放入1/4玻片，绕入射光轴旋转1/4玻片，使视场又复最暗，此时1/4玻片的快慢轴分别与起、检偏器的偏振轴平行；（3）放入试件，眼睛透过检偏器和1/4玻片调焦于被测点上，绕光轴旋转试件（或试件不转，起、检偏器、1/4玻片一起旋转

32、），看到试件被测点最暗时，再继续转45，被测点变亮。（4）单独转动检偏器，使被测点又复最暗，这时检偏器转过的角度即是 角。第56页，本讲稿共68页第六章 偏振光分析法测量 第三节光学薄膜厚度和折射率测量第57页，本讲稿共68页第三节 光学薄膜厚度和折射率测量n偏振光分析法是测量薄膜参数常用的方法，在薄膜测量中常称偏振光分析技术为椭偏术。n70年代，我国开始将椭偏术应用于测定和控制大规模集成电路元件的薄膜厚度和折射率。并且广泛用于测量光学玻璃表面所镀光学薄膜及玻璃表面侵蚀膜的厚度和折射率。80年代末，在国内较广泛使用的自动椭偏仪的基础上，有研制了高精度扫描椭偏仪和自动椭偏光光谱仪，后者用于测量不

33、同波长下试样的折射率 、消光系数 、介电常数 和 、膜厚 等参数。n椭偏仪采用的测量方法有三种：消光法、调制消光法和光度法。三种方法的基本原理相同，以下以消光法为例介绍其测量原理。第58页，本讲稿共68页一、椭偏仪的测量原理n椭偏仪的光学系统如图所示，激光经起偏器称为线偏振光，通过1/4玻片后成为长轴与短轴分别与1/4玻片快慢轴重合的椭圆偏振光。1/4玻片的快慢轴分别与试样表面的入射面成固定的45角，光束经试件薄膜上下表面反射后，又被分解成在入射面内振动和垂直于入射面振动的P、S分量，这两个分量的相位差与薄膜厚度和折射率有关。慢轴快轴激光束起偏器玻片检偏器光电探测器基片介质薄膜第59页，本讲稿

34、共68页一、椭偏仪的测量原理n起偏器的偏振轴E与P分量夹角为 ，光线经O点垂直于纸面向传播。可以看出，椭偏仪光学系统的布置与本章第一节的第二种方案相同（被测试样放在1/4玻片与检偏器之间）。n则激光束从检偏器出射的光强度为：其中 为光束斜入射到试件薄膜上，经薄膜上下表面反射分解成P、S分量之间的相位差。它与薄膜厚度和折射率，以及光束入射角 等有关。第60页，本讲稿共68页一、椭偏仪的测量原理n根据菲涅尔公式得知薄膜上表面反射光的振幅比 的P、S分量为：n同理，对薄膜下表面的反射光可写出 的表示式。式中 和 分别为空气、薄膜和基片的折射率；为入射角，为光束进入薄膜和基片的折射角。为空气中入射光在

35、入射面内和垂直于入射面的P、S分量的振幅；经薄膜上表面反射后的P、S分量的振幅；第61页，本讲稿共68页一、椭偏仪的测量原理由折射定律可知它们之间的关系为：考虑到膜层上下表面间的多次反射产生的多光束干涉，由薄膜多光束干涉公式可得总反射振幅比为：式中，为相邻两束反射光的相位差的一半，其中 为膜厚，为光在真空中的波长，也称为薄膜的相位厚度，第62页，本讲稿共68页一、椭偏仪的测量原理根据式（6-7）从薄膜上下两表面反射合成的椭偏光可表示为：式中，为反射光S、P分量的振幅比，即转动起偏器改变 角，当满足时，式（6-16）表示的椭圆偏振光蜕化为线偏振光，此时：上式中，当 为偶数时取正号，为奇数时取负号

36、。第63页，本讲稿共68页一、椭偏仪的测量原理式（6-18）中 角表示出射时的线偏振光的振动方向与S轴的夹角，如图6-11所示。转动检偏器，当其偏振轴与P轴的夹角 时，从检偏器出射的光强为零，即得到消光。因此消光条件为：式中转角 可看成 的补偿量，它的值由 即 四个参量决定。线偏振光振动面1线偏振光振动面2检偏器方位2检偏器方位1第64页，本讲稿共68页一、椭偏仪的测量原理结论：结论：n当 一定时，调节起、检偏器的方位角 ，最终可使出射光强为零；n而n而 第65页，本讲稿共68页第三节 光学薄膜厚度和折射率测量一、椭偏仪的测量原理结论：结论：所以当 已知时，则可通过 值算出值，由于 与 的关系

37、相当复杂，一般通过电子计算机计算出。二、测量步骤(1)将试样放在承物台上，根据 的标称值选择光束入射角 ，设取 。光源用He-Ne激光器，（2）调节起偏器和检偏器的方位，可得两个消光位置。设得 。根据 来区分 和 。（3）将 换算成 ：第66页，本讲稿共68页第三节 光学薄膜厚度和折射率测量二、测量步骤由上面给出的值可得：（4）求平均值（5）由式（6-19）求出（6）利用测得的 值由计算机算出 ，得（计算时须已知 ，此处基片是硅片，）必要时可改变入射角 ，求另一组 值，然后取两组的平均值。第67页，本讲稿共68页第六章 偏振光分析法测量思考题1、试述测量光学玻璃的双折射光程差的1/4玻片法的原理。画出光学系统图，标明各元件的振动方向或主方向。2、试述消光法测量光学薄膜厚度和折射率的原理。第68页，本讲稿共68页