專利名稱:消光—光度兼容的橢圓偏振儀的制作方法
本發(fā)明涉及一種帶有旋轉(zhuǎn)元件的橢圓偏振儀。
橢圓偏振儀是一種測量固體表面和薄膜參數(shù)的精密儀器，廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)、光學(xué)薄膜、電化學(xué)和生物等技術(shù)領(lǐng)域：
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常用的橢圓偏振儀為單制式的橢圓偏振儀，即消光式橢圓偏振儀和光度式橢圓偏振儀。
消光式橢圓偏振儀主要采用PQSA結(jié)構(gòu)，測量偏振參數(shù)△、ψ值的準(zhǔn)確度高，誤差可小于0.005°，但測量速度慢，一般為數(shù)分鐘至10多分鐘。
光度式橢圓偏振儀，如比利時(shí)BE280475專利所報(bào)導(dǎo)的偏振儀，常含有旋轉(zhuǎn)元件，具有測量速度快的優(yōu)點(diǎn)，測量時(shí)間為1秒以下，其缺點(diǎn)是測量的準(zhǔn)確度低，偏振參數(shù)△、ψ測量誤差為0.05°或更低。
1985年 Rev.Sci Instru.v56(11)PP1995報(bào)導(dǎo)了一種采用旋轉(zhuǎn)偏振器的消光——光度兼容的橢圓偏振儀，該儀器的結(jié)構(gòu)是以樣品表面為反射面，入射光的一側(cè)布置一個(gè)起偏器，一個(gè) 1/4 波片和一個(gè)法拉弟調(diào)制器Ⅰ，反射光的一側(cè)布置一個(gè)檢偏器，一個(gè)光電倍增管和一個(gè)法拉弟調(diào)制器Ⅱ。其起偏器和 1/4 波片安裝在一個(gè)可調(diào)方位的度盤上，檢偏器安裝一個(gè)帶有編碼器的度盤上，該度盤的方位調(diào)節(jié)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)還可用手動(dòng)。測定偏振參數(shù)△和ψ時(shí)，光束依次通過起偏器、1／4波片、法拉弟調(diào)制器Ⅰ，經(jīng)待測樣品表面反射，通過法拉弟調(diào)制器Ⅱ、檢偏器后到達(dá)光電倍增管，并由電子計(jì)算機(jī)作數(shù)據(jù)處理。
當(dāng)1／4波片方位固定于45°，起偏器和檢偏器的方位由手動(dòng)調(diào)節(jié)達(dá)到消光時(shí)，該儀器便成為PQSA結(jié)構(gòu)，可作為消光式橢圓偏振儀使用。
若將法拉弟調(diào)制器Ⅰ、Ⅱ退出光路，1／4波片固定在0°或90°，用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的檢偏器以0.75轉(zhuǎn)／秒轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，由電子計(jì)算機(jī)分析數(shù)據(jù)測定偏振參數(shù)△、ψ值，則該儀器具有光度式橢圓偏振儀的功能。
這種旋轉(zhuǎn)檢偏器的消光——光度兼容的橢圓偏振儀的缺點(diǎn)是1、利用檢偏器處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下測定偏振參數(shù)△值在△＝0附近測量△值時(shí)，其誤差比單制式的光度式橢圓偏振儀增大10～20倍，且一次測量無法確定△值的正負(fù)號(hào)。原因是偏振參數(shù)△的正負(fù)取決于偏振光是右旋還是左旋，利用偏振器旋轉(zhuǎn)時(shí)，實(shí)際上是觀察橢圓偏振光在各個(gè)偏振方向的光強(qiáng)，所以無法分辨其旋轉(zhuǎn)方向。在△＝0(線偏光)附近，△值的增加將使橢圓偏振光短軸光矢量增加，但當(dāng)旋轉(zhuǎn)偏振器轉(zhuǎn)至短軸方向附近時(shí)，光信號(hào)極易受到光強(qiáng)度大幾十倍的長軸分量在該檢偏器方向上投影的干擾，故此時(shí)測量△的精度很差。
2、測量偏振參數(shù)△值時(shí)，須將法拉弟調(diào)制器Ⅰ、Ⅱ退出光路，給操作造成不便。
本發(fā)明的任務(wù)在于設(shè)計(jì)一種能精確測定偏振參數(shù)△值，且操作方便的消光——光度兼容式的橢圓偏振儀。
圖面說明
圖1為本發(fā)明的消光——光度兼容式的橢圓偏振儀的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中P一起偏器，Q－1／4波片，A－檢偏器，D－光電倍增管，S－待測樣品，J－電子計(jì)算機(jī)處理器。
以下結(jié)合本發(fā)明的具體內(nèi)容，但發(fā)明的內(nèi)容不限于。
如圖1所示，以樣品〔S〕的表面為反射面，入射光束和反射光束構(gòu)成V字型光路，入射角為60°或70°，在入射光的一側(cè)布置一個(gè)帶方位度盤的起偏器〔P〕、一個(gè)可由伺服電機(jī)帶動(dòng)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)或以手動(dòng)調(diào)整至某一固定方位的1／4波片〔Q〕，反射光的一側(cè)布置一個(gè)帶有相位度盤的檢偏器〔A〕和一個(gè)光電倍增管〔D〕以及一個(gè)同光電倍增管〔D〕相連接的微型電子計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理器〔J〕。光束通過起偏器〔P〕、1／4波片〔Q〕，經(jīng)待測樣品〔S〕表面反射后，通過檢偏器到達(dá)光電倍增管〔D〕。
當(dāng)1／4波片〔Q〕定位于±45°，以手動(dòng)調(diào)節(jié)起偏器〔P〕和檢偏器〔A〕的方位消光，作偏振測量時(shí)本儀器具有同單制式的消光式橢圓偏振儀相同的功能。
當(dāng)起偏器〔P〕和檢偏器〔A〕在±(10°～80°)范圍內(nèi)定位，其最佳位置為±45°，令1／4波片〔Q〕快速旋轉(zhuǎn)，此時(shí)儀器具有同單制式的光度式橢圓偏振儀相同的功能。由光電倍增管〔D〕輸出的信號(hào)隨1／4波片〔Q〕的轉(zhuǎn)動(dòng)呈周期性變化，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行付里葉分析求出各次諧波分量的大小，從中求出斯托克斯參量S1、S2、S3，即可換算成為偏振參數(shù)△和ψ，整個(gè)演算過程由微型電子計(jì)算機(jī)處理器〔J〕執(zhí)行并作快速數(shù)字顯示。
本儀器在測定偏振參數(shù)△值時(shí)，之所以具有同單制式的旋轉(zhuǎn)波片的光度式橢圓偏振儀(如BE280475)有相同的精度，其原因在于旋轉(zhuǎn)1／4波片〔Q〕對(duì)光束產(chǎn)生位相調(diào)制作用，在測量時(shí)能得到斯托克斯參量S3的值，而S3與Sin△成正比，故能唯一地確定△值的正負(fù)號(hào)。其次，旋轉(zhuǎn)1／4波片〔Q〕時(shí)，即使△＝0，則光強(qiáng)對(duì)△的導(dǎo)數(shù)也不為0，由此表明，只要偏振參數(shù)△稍有變化，光強(qiáng)即有相應(yīng)的變化，所以根據(jù)光強(qiáng)值的變化量來計(jì)算△時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)△測量精度下降的情況，由此克服已有的旋轉(zhuǎn)檢偏器的兼容式橢圓偏振儀存在的一大缺陷。
本發(fā)明兼容式橢圓偏振儀同已有的同類儀器比較，具有如下優(yōu)點(diǎn)1、測量偏振參數(shù)△值準(zhǔn)確度高。作為光度式橢圓偏振儀使用時(shí)，能測出△值的正負(fù)號(hào)，在測量線偏振光時(shí)精度不會(huì)下降，這是依靠旋轉(zhuǎn)檢偏器的兼容式橢圓偏振儀難以達(dá)到的，此時(shí)前者的測量在△＝0附近，△的精度比后者高10～20倍。
2、操作簡便。兩種工作方式變換時(shí)，在光路中無需增減任何零件，只需調(diào)節(jié)有關(guān)光學(xué)元件方位，故比已有的儀器方便。
3、對(duì)擁有消光式橢圓偏振儀的用戶，根據(jù)本發(fā)明原理，只需添置一個(gè)旋轉(zhuǎn)1／4波片〔Q〕，輔以通用的A／D接口和微型計(jì)算機(jī)，即可使手動(dòng)的消光式儀器增加快速自動(dòng)測試功能。其改造費(fèi)用僅為光度式儀器價(jià)格的20％，并且繼續(xù)保持原有的高的測量準(zhǔn)確度。
實(shí)施例如圖1所示，光源采用1mw的氦氖激光器，樣品〔1〕表面入射光束的入射角為70°，起偏器〔P〕采用通光口徑為φ20mm的薄膜偏振片，裝在精度為0.01°的度盤上，1／4波片〔Q〕由云母剝成，用小型伺服電機(jī)通過蝸輪蝸桿帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為1轉(zhuǎn)／秒。檢偏器〔A〕采用通光口徑為φ20mm薄膜偏振片，裝在精度為0.01°的度盤上。光電倍增管〔D〕采用GDB－230型，計(jì)算機(jī)采用Apple－Ⅱ。
把1／4波片〔Q〕的轉(zhuǎn)軸利用消光原理定位于45°方位，測量時(shí)用手動(dòng)調(diào)節(jié)起偏器〔P〕和檢偏器〔A〕的方位達(dá)到消光，從度盤得到偏振參數(shù)△、ψ的值，此時(shí)為消光式工作狀態(tài)。
把起偏器〔P〕和檢偏器〔A〕定位于45°方位，驅(qū)動(dòng)1／4波片〔Q〕，每旋轉(zhuǎn)1周，計(jì)算機(jī)顯示一次△、ψ值，此時(shí)為光度式工作狀態(tài)。
被測樣品〔S〕的表面為空白或鍍有多層膜，其尺寸為φ30×50mm，用Kq玻璃制成。
對(duì)3種實(shí)際樣品的偏振參數(shù)△、ψ的測量值如下
權(quán)利要求
1.一種含有一個(gè)起偏器、一個(gè)1/4波片、一個(gè)檢偏器和一個(gè)光電倍增管的消光--光度兼容的橢圓偏振儀，其特征在于采用一個(gè)布置在入射光路中的可由伺服電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的1/4波片[Q]，作為光度式儀器測量時(shí)允許起偏器[P]和檢偏器[A]方位調(diào)整范圍為±(10°～80°)。
2.按照權(quán)利要求
1所述的橢圓偏振儀，其特征在于作為光度式儀器測量時(shí)，起偏器〔P〕和檢偏器〔A〕的方位最佳位置為±45°。
專利摘要
一種新型的消光——光度兼容式橢圓偏振儀，其主要特征是它采用一個(gè)布置在樣品前光路中的可旋轉(zhuǎn)的1/4波片[Q]對(duì)光束進(jìn)行相位調(diào)制。這種儀器作光度式測量時(shí)，其偏振參數(shù)△值的測量精度提高10～20倍，且操作方便。實(shí)用新型利用本原理可將消光式橢圓偏振儀改裝為具有消光——光度功能兼容的儀器，改裝后的儀器能保證原有兩種分立儀器的精度，其改裝費(fèi)用為購置光度式儀器費(fèi)用的20％。
文檔編號(hào)G01B11/06GK87207289SQ87207289
公開日1988年4月20日 申請(qǐng)日期1987年7月10日
發(fā)明者吳啟宏 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan