椭偏仪实验南京理工大学物理实验中心徐永祥近代物理实验一、背景介绍二、实验目的三、实验仪器四、实验原理五、实验内容与步骤六、思考题与讨论题七、参考文献内容提要一、背景介绍 1、薄膜的分类:透明介质膜和金属膜。 2、薄膜的光学与几何参数为。式中, 为薄膜复折射率, ,d为薄膜的厚度。对于透明介质膜,因无吸收(k =0) ,此时其折射率为实数。 3、自然光、线偏振光及椭圆偏振光的概念。 4、常见测定薄膜光学参数的方法:布儒斯特角法测介质膜的折射率,干涉法测膜厚。另外,还有称重法、 X射线法、电容法、椭偏法,等等。),( ~dn)( ~ iknn??~n 5、椭偏法测量的优点:精度高,灵敏度高,无破坏性等。因此椭偏法在光学、半导体学、生物学、医学等诸多领域已得到广泛应用。二、实验目的 1、学习椭偏法的测量原理与方法; 2、测量透明介质薄膜厚度和折射率。三、实验仪器 TPY-2 型椭圆偏振测厚仪,如图 1 所示。图 1 TPY-2 型自动椭圆偏振测厚仪对于一定的样品,总可以找到起偏方位对于一定的样品,总可以找到起偏方位角角P P,使反射光由椭圆偏振光变成线偏振光。,使反射光由椭圆偏振光变成线偏振光。于是转动检偏器,在其相应的方位角于是转动检偏器,在其相应的方位角 A A下得下得到消光状态,即没有光到达光电倍增管。以到消光状态,即没有光到达光电倍增管。以上测量薄膜光学参数的方法即称为消光测量上测量薄膜光学参数的方法即称为消光测量法。法。四、实验原理使一束自然光(非偏振激光)经起偏器变成线偏振光,再经 1/4 波片,使它变成椭圆偏振光,入射到待测的膜面上。反射时光的偏振态将发生变化。对于一定的样品,总可以找到起偏方位角 P,使反射光由椭圆偏振光变化。?现以普通玻璃表面镀以透明单层介质膜为例作一说明。 s sφ 1k 0 k 1 k 2 k 3φ 2φ 3d n 1n 2n 3界面 1界面 2 自然光图 2 自然光在单层介质膜表面的反射与折射。。 PP ?如图 2所示,当一束光入射到单层介质膜面上时,在界面 1和2上形成多次反射和折射, 且各反射光和折射光分别产生多光束干涉。其干涉结果反映了薄膜的光学特性。?根据电磁场的麦克斯韦方程和边界条件及菲涅尔反射系数公式,可以导出: ?????? 2 221 211 r ipp ippperr err ??????????? 2 221 211 r iss issserr err ?????( (1 1) ) 式中, 分别为光在薄膜上、下表面的入射角。于是得到如下椭偏方程: 1 2 21 2222 sin 2 cos 2???????nnddn??? 21??、 SP irre/ tan???????????????? 2 2 2 22121 21211 1 iss ipp iss ipperrerr errerr ?????????式中, r 1p、r 2p为界面 1、2处反射光 p分量的振幅反射系数, r 1s、r 2s为界面 1、2处s分量的振幅反射系数,2δ系指薄膜表面的相继两束反射光因光程差而引起的位相差,它满足: (2) (3) 测量时,利用电机分别带动检偏器和起偏测量时,利用电机分别带动检偏器和起偏器转动(扫描)找到处于消光状态时的检偏角器转动(扫描)找到处于消光状态时的检偏角 A A和起偏角和起偏角 P P,根据下式计算椭偏参数,根据下式计算椭偏参数ΨΨ、、ΔΔ: : ??????????????????????????)3, 180 35 1;1m 135 0(,2 90 180mP PPm A时时, ( (4 4) ) 式中, ψ和Δ称为椭偏参数并具有角度量值, 是n 1、n 2、n 3、、λ及d的函数,由于 n 1、n 3、和λ为已知量,只要利用实验测出ψ和Δ,并利用计算机作数值计算,即可得到薄膜折射率 n 2和厚度 d。、 1?、 1?
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