文档介绍：实验14 用椭圆偏振仪测量透明薄膜厚度和折射率
椭圆偏振光测量方法是一种光学薄膜参数测量常用的专门方法。这种方法早在1930年就已经产生,因为当时计算技术的限制,所以发展较慢。随着计算机的出现及计算技术的发展,现已得到了广泛的应用。它可以测量介质膜、有机膜、半导体膜的折射率、消光系数、厚度等。而且这种方法测量精度高,对样品表面无损伤。对超薄膜(可达10 Å以下)同样具有很高的灵敏度。, Å的变化也可能被检测出来。所以在薄膜物理及固体物理研究中,它都是一种有效的方法。
【实验目的】
了解偏振法测量薄膜参数的基本原理。
了解激光椭圆偏振仪的结构,学会正确的调节和使用。
用椭圆偏振仪测量透明薄膜的厚度和折射率。
【实验原理】
p
s
s
p

若有一偏振光在样品表面反射,如图(1),我们可以将其分解成为在二个互相垂直方向上的分量波:振动面平行入射面的线偏振光称P波,振动面垂直入射面的线偏振光称S波。
图1
在界面1和界面2 菲涅尔反射系数分别为:
(1)
(2)
(3)
(4)
其中n。为空气折射率(n。=),n为膜折射率,ns为衬底折射率(可以是复数折射率)θ。为入射角。θ。、θ1、θ2有如下关系:
(5)
而相邻两反射光之间的光程差为:
(6)
上式中d为薄膜的厚度,因此相邻两反射光的位相差为:
(7)
根据(5)式可得:
(8)
上式中λ是光在真空中的波长,d为膜层厚度。由此可知,在入射角θ。确定的条件下,位相差仅依赖于膜的厚度d。
从图(1)可以知道,总反射系数实际上是多光束干涉结果。根据斯托克斯倒逆关系有:
(分别是光从界面2射向1时的反射系数和透射系数)

总反射系数为:
(9)
(10)
为使理论分析和实验测定方便,我们在椭偏法中定义;
(11)
即: (12)
(13)
上式中tgθ是相对振幅衰减,Δ是P波和S波间的位相差经系统反射后发生的变化。
由(1)式知,ρ是入射媒质折射率、膜层折射率和厚度、基片折射率、入射角、波长的函数。即:
,其余都是已知的。所以只要确定θ、Δ后,。而θ、Δ正是可以用椭偏仪测量的量,由测量的参数θ、Δ来定出薄膜的厚度d和折射率n。当我们选定入射角θ。、光波波长(如氦氖激光波长入=6328 Å),薄膜衬底折射率ns这三个参量,则就可以由θ和Δ这二个方程解出d和n。实际上由tgθ和Δ求解n和d的过程是十分复杂的,甚至得不到清晰的表达式。所以要通过计算机来求解。而现在已经有人做了这工作,用计算机求解列表,实验中只要测定θ和Δ后在表上查一下即可得出对应的n和d。
椭圆偏振仪测量椭偏状态变化参数θ和Δ从原理上有二种类型,一类是消光型,即以寻求输出最小光强位置为主要步骤的椭偏仪。另一类是光度型、以测定、分析输出光强度变化为目的的椭偏仪。而我们所用的是属于消光型椭偏仪。其光路如图(2)
1
2
3
4
5
6

1. 起偏器P (材料kg)
图2
内腔式氦氖激光器发出波长为6328 Å的激光束,该光