椭偏法测介质膜厚度和折射率实验报告21472.pdf

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1、近代物理实验报告 指导教师：得分：实验时间：2009 年 11 月 02 日，第 十 周，周 一，第 5-8 节 实验者：班级 材料 0705 学号 5 姓名 童凌炜 同组者：班级 材料 0705 学号 7 姓名 车宏龙 实验地点：综合楼 408 实验条件：室内温度 ，相对湿度%，室内气压 实验题目：椭偏法测介质膜的厚度与折射率 实验仪器：（注明规格和型号）WJZ-II 型椭偏仪 实验目的：1.掌握椭偏法测量薄膜和折射率的基本原理 2.学会使用椭偏仪测量固体表面上介质薄膜的折射率和厚度 实验原理简述：反射型椭偏仪的原理是：用一束椭圆偏振光作为探针照射到被测样品上，由于样品对入射光中平行于入射面

2、的电场分量（简称 P 分量）和垂直与入射面的电场分量（简称 S 分量）有不同的反射系数、透射系数，因此从样品上出射的光，其偏振状态相对于入射光来说要发生变化 1.光波在介质分界面反射和透射的电磁波理论 2.光入射到两种均匀、各向同性的介质分界面上时，要发生反射和折射，如图（5-3-1）。反射角与入射角相等，折射角与入射角以及折射率的关系是：3.2211sinsinnn 或 1212222sincosnnn 4.另外，根据麦克斯韦方程组和界面条件，可以得到菲涅耳公式：5.)sin(cossin2)cos()sin(cossin2)sin()sin()tan()tan(21122121122121

3、2121spspttrr 6.反射系数比 G 7.定义反射系数比)(exp|spspspirrrrG 8.而通常 G 往往被写成如下形式：)exp(taniG 其中|tansprr sp 9.根据前式，可以得到21122112tan)11(1 sinGGnn 10.从式中可以看出，如果 n1 是已知的，那么在一个固定的入射角 1 下测定反射系数比 G，则可以去顶介质 2 的折射率 n2.11.光波在介质薄膜上反射和透射的电磁波理论椭圆偏振光测量单层薄膜光学系统 12.如图（5-3-2）所示为“三介质二界面”模型，我们假定：13.薄膜两侧的介质是半无解大的，折射率分别为1n和3n 14.薄膜折射

4、率为2n，它与两侧介质之间的界面 1 和界面 2 平行，并且都是理想的光滑斜面 15.三种介质都是均匀的各向同性的 16.根据以上条件假设和图中的几何关系，可以得到：2231222312223122231211tanississippippspierrerrerrerrRReG 其中 332211223322332223221122111232233223232112211212sinsinsin/cos42)coscos/()coscos()coscos/()coscos()coscos/()coscos()coscos/()coscos(nnndnnnnnrnnnnrnnnnrnnnnrs

5、spp 17.光在金属表面反射的电磁理论金属复折射率的测量 18.金属对光具有吸收性，因此金属的折射率为复数，可以分解为实部和虚部，即iNKNn2 19.经过近似计算，可以得出sin2tancos2sin12costansin111KnN 20.21.用椭偏法测量反射系数比 22.反射系数比 G 的测量归结为两个椭偏角、的测量。反射式椭偏仪有如下关系式：23.)(exp|/|)(exp|/|tanisipisiprsrprsrpiiEEiEEeG 24.为了测量和，需要测量四个量，分别测量入射光中两分量的振幅比和相位差以及反射光中两分量的振幅比和相位差。25.等幅椭偏光的获得 26.如图（5-

6、3-3）所示的基本光路，对于入射和反射光分别设立两个直角坐标系 x-y 和 x-y其中 x 和 x轴均在入射面（纸面）内并且分别垂直于入射光和反射光的传播方向，y 轴和 y轴均垂直于入射面：27.起偏器的透光方向 t 与 x 轴的夹角为 P.图（5-3-4）调节 P 的数值便可以使入射等幅椭偏光两分量的相位差（isip）连续可调，从而可以得到相位差连续可调的等幅椭圆偏振光。28.反射的线偏正光的检测 29.对于等相位差连续可调的等幅椭偏入射光来说，有rsrprsrpPEE22|tan 30.结合图（5-3-5）（a）和（b）分别讨论反射线偏振光的两种不同状态：31.rsrp；11:20AA；1

7、223P 32.0rsrp ；11:2AA；222P 33.实验步骤简述：测量透明介质薄膜（氧化锆标准样板）厚度和折射率 1.分光计的调整：用自准法直法调整好分光计 2.3.光路调整 4.卸下物镜、狭缝、物镜和目镜 5.将半导体激光器装在平行光管外端，在平行光管另一端旋上校光片 A 6.点亮激光器，观察 7.取下校光片 A，将校光片 B 置于望远镜目镜处，同理，光斑也应同时在校光片 A、B 的圆框内 8.锁定分光计的角度刻度盘，转动使角游标的“0”与刻度盘的“0”对准 9.换下两只校光片，测光电流值 10.11.检偏器读数头位置的调节与固定 12.检偏器读数头套在望远镜筒上，90读数朝上，位置

8、基本居中 13.附件黑色反光镜置于载物台中央，将望远镜转过 66，使激光束以布儒斯特角入射到黑色反光镜表 面，锁定望远镜 14.转动检偏头，使半反目镜内光点达到最暗。固定检偏器读数头 15.适当转动激光器在平行管中的位置，是目镜中光点最暗，固定激光器 16.17.起偏器读数头的调节与固定 18.将起偏器读数头套在平行光管镜筒上 19.取下黑色反光镜，将望远镜系统转会原来位置，使起偏、检偏器读数头共轴，并令激光束通过中心 20.调节起偏器读数头与目镜相对位置，找出最暗位置 21.22.1/4 波片零点位置的调整 23.起偏器读数保持为 0，检偏器 90，此时白屏上的光点应最暗 24.将 1/4

9、波片读数头对准零位 25.将 1/4 波片框的白点向上，套在内刻度圈上，并微微转动。使半反目镜内的反光点最暗。固定 1/4 波片 26.27.被测样品薄膜光学参数 28.被测样品，放在载物台中间，旋转望远镜达到预定的入射角 70 29.为了减少误差，尽量使用四点测量 原始数据、数据处理及误差计算：试验中测量得到的原始数据为 1/4 玻片角度=+45 A1 P1 )A2 P2 )1/4 玻片角度=-45 A3 P3 )A4 P4 )将上述结果进行转换：1/4 玻片角度=+45 A1 P1 A2 P2 1/4 玻片角度=-45 A3 P3 A4 P4 并计算它们的平均值 A 和 P，得到 A=，P

10、=根据 A、P 的平均值，可以计算出待测膜的两个椭偏角：6.20A；54.2223P 根据上面得到的测量结果，使用计算机对最终的结果进行计算 计算思路为：使用迭代法，将每一次计算的近似结果作为下一次计算的参考范围，如此不断减小范围，逐渐逼近最后的精确结果，当近似程度符合精确值的要求时，该近似值便可以作为最终结果 Calculating Result d0=35nm,n0=d1=,n1=d2=,n2=d3=,n3=;并以这一组 d 和 n 为最终的计算结果；然后可以得到周期厚度 D=，参考厂家给出的厚度，取第二周期的厚度值，这样，给出最后的 计算结果为：薄膜的厚度为 d=，折射率大小为 n=思考

11、题，实验感想，疑问与建议：1.椭偏仪设计的基本思想是什么？2.（答案略）3.4.椭偏仪各主要光学部件的作用是什么（主要光学部件：起偏器，检偏器，黑色反光镜，1/4 玻片）5.6.起偏器：7.将激光光源射出的单色光束（完全光）转化为线偏振光，同时不同的起偏器透光方向，意味着 出射光的电矢量方向变化，与 x 轴的夹角也发生变化。8.9.检偏器：10.检验经过薄膜反射后的反射光是否为线偏振光（有消光现象），并在确认其为线偏振光的情况下，测量其偏振矢量与 x 轴正方向的夹角。11.12.黑色反光镜：13.黑色反光镜的作用关系到其摆放位置，将黑色反光镜置于光具平台中央，望远镜与平行光管的钝夹角为 114

12、，即光束以布儒斯特角（对于黑色反光镜的材质，约为 57）入射到反光镜表面，则此时反射光为线偏振光，且电矢量为单一的 p 方向，即偏振方向与仪器中心转轴垂直；这时通过调节检偏器，当入射到望远镜内的光强达到最小时，说明检偏器的检偏方向与反射光的偏振方向垂直，即检偏方向平行于仪器中心转轴，使得检偏器的初始位置得到了校正，并能够以此为基础，继续完成起偏器和 1/4 玻片的校正。14.15.1/4 玻片：16.由于通过起偏器以后的线偏振光只有一个振动方向，而实验需要的是两个方向垂直的光波入射到被测样品的表面。当线偏振光垂直晶面进入 1/4 玻片后，在玻片内分为 o 光和 e 光，它们的振动方向相互垂直，

13、从 1/4 玻片出射时，o 光和 e 光之间有/2 的相位差，这两个矢量的合成，能够使整体的偏振光成为椭圆偏振光。并且，如果入射到 1/4 玻片的线偏振光的偏振化方向与玻片的快轴方向成/4 角，那么从玻片射出的就是圆偏振光。17.18.分析椭偏法测量的可能误差来源 19.从实验步骤，一层一层分析，容易找出各处的误差源 20.21.调节光路的时候，如果望远镜的光轴没有对准仪器的中心转轴，那么以后的实验中，入射光将不能平行穿过望远镜的光轴进入到检流计中，可能在望远镜筒的内壁上发生反射或被遮挡，那这是检测到的最小光强位置未必是真实的最弱位置。22.23.用黑色反光镜校正检偏器时，如果反光镜的位置摆放不正确或者望远镜的角度调节不恰当，导致反射光不能完全射入望远镜内，或者入射方向不与望远镜的光轴平行，也可能导致最小光强的误判，而导致实验误差。24.25.如果在实验过程中，错误地调节了原先已经调节好的光学仪器位置，或者在调节好了以后没有锁定，在之后的实验过程中，由于碰撞或者振动等原因，导致位置发生变化，也可能导致最终测量结果出现误差。26.27.综上，实验误差的出现，本质原因主要有两点，一个是最小光强位置的判断错误，另一个是原先调整好的光学仪器在之后的实验过程中发生了变动。28.原始记录及图表粘贴处：（见附页）