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全自动椭偏光谱仪软件系统的优化

(理学院,物理系,应用物理学专业吴平洲)
(学号:2000145002)

内容提要:结合椭偏光谱仪的测量原理,在详细分析它的软件系统的结构及主要模块的
基础上,对原系统性能作了优化,并提升了系统操作功能。主要工作有:(1)针对 Windows
9x/2000 及以上的操作系统,利用 WinDriver 工具包开发了椭偏光谱仪设备驱动程序,保证
软件在不同的操作系统下有良好的兼容性。(2)通过读取计算机硬件的高精度计时器的频率
和它的当前计数值,实现了在 Windows 环境下的精确定时,定时精度可达微秒级。(3)改善
了文件保存方式和增加了打印功能。
本文还对数据采集过程中的噪声干扰进行了分析,发现来自交流电网的工频干扰是噪声
重要来源。采取了相关措施,通过电磁屏蔽和接地,消除了这一干扰,提高了椭偏光谱仪的
测量精度。
关键词:椭偏光谱仪驱动程序工频干扰精确定时打印
教师点评:设计根据椭偏光谱仪测量系统要求,在全面分析原软件系统结构及主要模块
的基础上,运用 WinDriver 工具包开发了设备驱动程序,使新软件在不同操作系统下具有良
好的兼容性;同时通过采用读取计算机硬件高精度计时器频率和当前计数值的举措,实现了
在 Windows 环境下的精确定时,使计时精度可达微秒级;特别应指出的是,设计还从测试
系统噪声分析中,发现来自交流电网的工频干扰是重要噪声源之一,并通过采用电磁屏蔽措
施,排除了这一干扰,提高了仪器的测量精度。在改善文件保存、方便用户读取方面,设计
也作了不少工作。纵观全文,构思严密,言论和分析具有一定深度,论述准确流畅,真实地
表述了作者理论基础扎实、工作认真细致、善于思考的长处,建议评为优秀论文。(点评教
师:赵志超,副教授)
第一章前言
1 本人的工作
本人完成了椭偏光谱仪软件系统优化、电路系统噪声干扰分析及排除等项目。在原有测
试系统框架下,根据椭偏光谱仪测量系统的要求,增加了不少有用的功能。驱动程序使软件
系统可以在 Windows 2000 以上的操作系统下运行,提高了系统的兼容性。对电路系统噪声
干扰的分析和处理,提高了测量系统的精度。Windows 下的精确定时,可以非常精确地控制
采样的时间间隔,为以后进一步分析噪声与信号的关系,提高信噪比打下基础。对于文件保
存及打印功能的改进则方便了用户使用。
2 椭圆偏振光技术概述
椭圆偏振测量技术(简称椭偏技术,Spectroscopic Ellipsometry)是利用偏振光束在界面或
薄膜上反射或透射时出现偏振态的变化,研究界面或薄膜特性的一种光学方法。椭偏技术具
有抗干扰性强、高灵敏度、对样品无特殊要求等优点,因而在材料科学、微电子技术、薄膜
技术、物理学、化学、生物学和医学等领域有着广泛的应用。
追溯椭偏技术的发展,已有近百年的历史。在 19 世纪初,人们对光波做了大量的观察
和研究,发现光波实际上存在着不同程度的偏振态。1823 年,马吕斯(,法国
人)发现光具有偏振性。1945 年,第一台椭偏测量仪问世。20 世纪 70 年代,微型计算机的
蓬勃发展,为椭偏技术注入了新的生机。近几年来,由于自动光谱数据采集系统和快速数字
微型计算机的发展,椭偏技术已被广泛应用于常规的样品测试分析。
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运用椭偏光谱仪测量薄膜参数具有极高的精度,例如测量薄膜厚度(~2nm)的准确性
约为 ,重复性达到 ;折射率测量的准确性可以达到小数点第 4 位。但是,它
亦有一定的局限性,这主要由于模型的任意性、变量之间的相关性、数据分析过程的复杂性,
以及最终结果取决于操作者的分析判断能力等。
椭偏技术从问世以来,无论在理论上还是在应用上人们都做了大量工作。特别是随着
薄膜技术在信息存储材料、光学及空间技术等领域的广泛应用,薄膜光学常数的精确测定也
是越来越重要,而为具有诸多优点的椭偏技术打开了广阔的应用空间。椭偏技术不仅可以测
定单层介质膜、吸收膜的复折射率和厚度,采用适当的程序和计算方法,也可以测定多层复
介质膜、吸收膜的复折射率和厚度等光学参数。椭偏技术具有非接触性、高精度等特点,可
以实时地监测各种薄膜地生长。椭偏技术还可以测量材料的电光、磁光、压光、热光等多种
物理效应。
3 基本原理
椭偏技术基本上就是光束偏振态的测量。当一束线偏振光入射到薄膜表面时,光波的电
矢量可以分解为在入射面内振动的P分量和垂直于入射面振动的S分量,它们在两种媒质的
交界面上的反射率和反射相移各不相同。于是在反射光的P分量和S分量之间产生了附加的
振幅差和相