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椭偏仪测量薄膜厚度与折射率实验报告组别：6９组院系:０６11 姓名:林盛学号：PB06２104４5实验题目：椭偏仪测量薄膜厚度与折射率实验目得：了解椭偏仪测量薄膜参数得原理，初步掌握反射型椭偏仪得使用方法。
实验原理:椭圆偏振光经薄膜系统反射后,偏振状态得变化量与薄膜得厚度与折射率有关,因此只要测量出偏振状态得变化量,就能利用计算机程序多次逼近定出膜厚与折射率。
参数描述椭圆偏振光得P波与S波间得相位差经薄膜系统关系后发生得变化，描述椭圆偏振光相对振幅得衰减。
有超越方程:ﻩ为简化方程，将线偏光通过方位角得波片后，就以等幅椭圆偏振光出射，；改变起偏器方位角就能使反射光以线偏振光出射，,公式化简为:这时需测四个量，即分别测入射光中得两分量振幅比与相位差及反射光中得两分量振幅比与相位差，如设法使入射光为等幅椭偏光,，则;对于相位角，有:因为入射光连续可调,调整仪器,使反射光成为线偏光，即=0或()，则或，可见只与反射光得p波与s波得相位差有关,可从起偏器得方位角算出、对于特定得膜，就是定值,只要改变入射光两分量得相位差,肯定会找到特定值使反射光成线偏光, =０或（）.实验仪器:椭偏仪平台及配件、He-Nｅ激光器及电源、起偏器、检偏器、四分之一波片、待测样品、黑色反光镜等。
实验内容：1.按调分光计得方法调整好主机.2.水平度盘得调整。
3.光路调整。
4.检偏器读数头位置得调整与固定.5.起偏器读数头位置得调整与固定。
6.波片零位得调整。
7.将样品放在载物台中央,旋转载物台使达到预定得入射角７0即望远镜转过40，并使反射光在白屏上形成一亮点。
8.为了尽量减小系统误差，采用四点测量.9.将相关数据输入“椭偏仪数据处理程序”，经过范围确定后,可以利用逐次逼近法，求出与之对应得d与n ；由于仪器本身得精度得限制,可将d得误差控制在１埃左右，ｎ得误差控制在0、01左右.实验数据:将表格中数据输入“椭偏仪数据处理程序",利用逐次逼近法,求出与之对应得厚度d与折射率ｎ分别为:误差分析:实验测得得折射率比理论值偏大,厚度比理论值偏小，其可能原因有：1.待测介质薄膜表面有手印等杂质，影响了其折射率。
103实验十二 用椭偏仪测薄膜厚度与折射率随着半导体和大规模集成电路工艺的飞速发展，薄膜技术的应用也越加广泛。
因此，精确地测量薄膜厚度与其光学常数就是一种重要的物理测量技术。
目前测量薄膜厚度的方法很多。
如称重法、比色法、干涉法、椭圆偏振法等。
其中，椭圆偏振法成为主要的测试手段，广泛地应用在光学、材料、生物、医学等各个领域。
而测量薄膜材料的厚度、折射率和消光系数是椭圆偏振法最基本，也是非常重要的应用之一。
实验原理由于薄膜的光学参量强烈地依赖于制备方法的工艺条件，并表现出明显的离散性，因此，如何准确、快速测量给定样品的光学参量一直是薄膜研究中一个重要的问题。
椭圆偏振法由于无须测定光强的绝对值，因而具有较高的精度和灵敏度，而且测试方便，对样品无损伤，所以在光学薄膜和薄膜材料研究中受到极大的关注。
椭圆偏振法是利用椭圆偏振光入射到样品表面，观察反射光的偏振状态（振幅和位相）的变化，进而得出样品表面膜的厚度及折射率。
氦氖激光器发出激光束波长为632.8nm 的单色自然光，经平行光管变成单色平行光束，再经起偏器P 变成线偏振光，其振动方向由起偏器方位角决定，转动起偏器，可以改变线偏振光的振动方向，线偏振光经1/4波片后，由于双折射现象，寻常光和非寻常光产生π/2的位相差，两者的振动方向相互垂直，变为椭圆偏振光，其长、短轴沿着1/4波片的快、慢轴。
椭圆的形状由起偏器的方位角来决定。
椭圆偏振光以一定的角度入射到样品的表面，反射后偏振状态发生改变，一般仍为椭圆偏振光，但椭圆的方位和形状改变了。
从物理光学原理可以知道，这种改变与样品表面膜层厚度及其光学常数有关。
因而可以根据反射光的特性来确定膜层的厚度和折射率。
图1为基本原理光路。
图2为入射光由环境媒质入射到单层薄膜上，并在环境媒质——薄膜——衬底的两个界面上发生多次折射和反射。
此时，折射角满足菲涅尔折射定律332211sin sin sin ϕϕϕN N N ==(1)104 其中N 1，N 2和N 3分别是环境媒质、= n – i k ）；ϕ1为入射角、 ϕ2 和ϕ3分别为薄膜和衬底的折射角。
椭圆偏振法测量薄膜厚度和折射率实验报告实验名称：椭圆偏振法测量薄膜厚度和折射率实验目的：利用椭圆偏振法测量薄膜的厚度和折射率，掌握椭圆偏振法的基本原理和实验操作方法。
实验原理：椭圆偏振法是一种常用的测量薄膜光学性质的方法。
当偏振光通过具有一定折射率的薄膜时，会发生透射和反射，经过反射和透射之后的光束会发生干涉现象。
当入射光是偏振光时，通过表层膜的透射光经过增偏器后变为线偏振光，其振动方向决定于表层膜的光学性质以及入射角。
通过调节增偏器的方向和旋转其角度，使得通过增偏器的振动方向与振动椭圆的长轴平行，此时称之为白光不通过表层膜，反射线偏振光与透射线偏振光的相位差为0. 形成一个相干叠加的椭圆偏振光。
根据椭圆偏振光的特性，可以通过测量椭圆偏振光的特性参数（主轴角度、椭圆离心率等）来确定薄膜的厚度和折射率。
实验装置：椭圆偏振仪、光源、待测试薄膜样品。
实验步骤：1. 启动椭圆偏振仪，调整光源使其达到合适的亮度和稳定性。
2. 将待测薄膜样品放置在椭圆偏振仪的样品台上，并通过对焦镜调整样品的焦距。
3. 调整增偏器的方向，使通过增偏器的线偏振光振动方向与椭圆的长轴平行。
4. 调整旋转台上的角度，使反射线偏振光与透射线偏振光的相位差为0，此时形成相干的椭圆偏振光。
5. 在椭圆偏振仪上的读数器上记录椭圆偏振光的主轴角度、椭圆离心率等参数。
6. 重复上述操作，测量多组数据，以提高测量准确度。
7. 根据测量得到的参数计算薄膜的厚度和折射率。
实验结果：通过测量多组数据，记录椭圆偏振光的主轴角度和椭圆离心率等参数，得到一组薄膜的厚度和折射率。
注意保留合适的有效数字。
实验讨论：1. 实验中应确保光源的稳定性和一致性，以获得准确的测量结果。
2. 实验中可以通过调整增偏器和旋转台的角度，使椭圆偏振光的参数达到最佳值，以提高测量精度。
3. 实验中应注意测量时的环境条件，避免与外部环境光的干扰。
实验结论：通过椭圆偏振法测量薄膜的厚度和折射率，可以得到薄膜的光学性质参数。
椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率1. 实验目的(1) 了解椭偏光法测量原理和实验方法； (2) 熟悉椭偏仪器的结构和调试方法； (3) 测量介质薄膜样品的厚度和折射率。
2. 实验原理本实验介绍反射型椭偏光测量方法。
其基本原理是用一束椭偏光照射到薄膜样品上，光在介质膜的交界面发生多次的反射和折射，反射光的振幅和位相将发生变化，这些变化与薄膜的厚度和光学参数（折射率、消光系数等）有关，因此，只要测出反射偏振状态的变化，就可以推出膜厚度和折射率等。
2.1 椭圆偏振方程图1所示为均匀、各向同性的薄膜系统，它有两个平行的界面。
介质1为折射率为n 1的空气，介质2为一层厚度为d 的复折射率为n 2的薄膜，它均匀地附在复折射率为n 3的衬底材料上。
φ1为光的入射角，φ2和φ3分别为薄膜中和衬底中的折射角。
光波的电场矢量可分解为平行于入射面的电场分量（p 波）和垂直于入射面的电场分量（s 波）。
用(I p )i 和(I s )i 分别代表入射光的p 分量和s 分量，用(I p )r 和(I s )r 分别代表各反射光O p ，I p ，II p ···中电矢量的p 分量之和及各束反射光s 分量之和。
定义反射率（反射系数）r 为反射光电矢量的振幅与入射光电矢量的振幅之比。
则由菲涅耳公式，有 对空气-薄膜界面I ：r 1p =n 2cosφ1−n 1cosφ2n 2cosφ1+n 1cosφ2(1)r 1s =n 1cosφ1−n 2cosφ2n 1cosφ1+n 2cosφ2(2)对薄膜-衬底界面II ：r 2p =n 3cosφ2−n 2cosφ3n 3cosφ2+n 2cosφ3(3)r 2s =n 2cosφ2−n 3cosφ3n 2cosφ2+n 3cosφ3图1 薄膜系统的光路示意图I pO pI pII p根据折射定律，有n1sinφ1=n2sinφ2=n3sinφ3(5) 由图1，可算出任意两相邻反射光之间的光程差为l=2n2dcosφ2相应的相位差为2δ=360°λl于是可得δ=360°λd(n22−n12sin2φ1)12⁄(6)另一方面，由多束光干涉原理来考察空气-薄膜-衬底作为一个整体系统的总反射系数，以R p 和R s分别表示这个系统对p波和s波的总反射系数，则由图1可知，对p波，R p由O p，I p，II p···各级反射光叠加合成。
椭圆偏振光法测量薄膜的厚度和折射率摘要：本实验中，我们用椭圆偏振光法测量了MgF 2,ZrO 2,TiO 2三种介质膜的厚度和折射率，取MgF 2作为代表，测量薄膜折射率和厚度沿径向分布的不均匀性，此外还测量了Au 和Cr 两种金属厚膜的折射率和消光系数。
掌握了椭圆偏振光法的基本原理和技术方法。
关键词：椭偏法，折射率，厚度，消光系数 引言：薄膜的厚度和折射率是薄膜光电子器件设计和制备中不可缺少的两个参数。
因此，精确而迅速地测定这两个参数非常重要。
椭圆偏振光法就是一个非常重要的方法。
将一束单色椭圆偏振光投射到薄膜表面，根据电动力学原理，反射光的椭偏状态与薄膜厚度和折射率有关，通过测出椭偏状态的变化，就可以推算出薄膜的厚度和折射率。
椭圆偏振光法是目前测量透明薄膜厚度和折射率时的常用方法，其测量精度高，特别是在测量超薄薄膜的厚度时其灵敏度很高，因此常用于研究薄膜生长的初始阶段，而且由于这种方法时非接触性的，测量过程中不破坏样品表面，因而可用于薄膜生长过程的实时监控。
本实验的目的是掌握椭偏法测量薄膜的厚度和折射率的原理和技术方法。
测量几种常用介质膜的折射率和厚度，以及金属厚膜的复折射率。
原理：1. 单层介质膜的厚度和折射率的测量原理（1）光波在两种介质分界面上的反射和折射，有菲涅耳公式：121122112112211122322323223223322233cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos p s p s n n r n n n n r n n n n r n n n n r n n ϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕ-⎧=⎪+⎪-⎪=⎪+⎪⎨-⎪=⎪+⎪-⎪=⎪+⎩（tp-1）; （2）单层膜的反射系数图1 光波在单层介质膜中传播以上各式中1n 为空气折射率，2n 为膜层的折射率，3n 为衬底折射率。
1ϕ为入射角，2ϕ，3ϕ分别为光波在薄膜和衬底的折射角。
椭偏仪测量薄膜厚度和折射率实验报告摘要：本实验利用椭偏仪仪器去测量薄膜的厚度和折射率，来反映使用者的测量结果。
实验结果表明，测量出的薄膜厚度和折射率值符合预期，经仔细分析实验结果误差解释，结果可信度得到进一步提升。
一、实验目的1、了解椭偏仪的使用及原理2、利用椭偏仪测量薄膜厚度及折射率二、基本原理椭偏仪是一种重要的折射率测量仪，它能够准确而精确地测量出光线穿过薄片时的折射率，以及光线所穿过的薄片的厚度。
椭偏仪是基于位移差原理来测量折射率的。
它采集到穿过薄膜后，光源被折射后，照射到观察板上形成一个圆形光斑，而经过椭偏仪校正器后，光斑就变成一条条短短的线条，然后将其位置与未经膜片折射的光斑位置做比较，就可以很容易地计算出折射率和厚度。
三、实验步骤1、准备实验仪器：椭偏仪仪器、薄膜。
2、调试椭偏仪：（1）检查仪器电源是否已连接；（2）检查观察系统的对焦位置是否正常；（3）在微调镜光组合上将调焦镜反转，此时光线经过校正器再照在观察系统上，就可以看见一条条短短的线条，比较其前后位置；3、将薄膜放置在光路中，调节观察台的位置，把观察台移动到朱莉可变折射率玻璃轴上；4、对准光斑，然后调节调焦镜，把观察台上的光斑放小；5、观察台上的光斑线条前后移动情况，以记录测量结果；6、得出实验结果，然后根据实验结果，计算薄膜的厚度和折射率。
四、实验结果根据实验所得数据，测得薄膜厚度为1.0μm，折射率为1.890。
（1）实验结果表明，薄膜厚度和折射率值与理论值相符合，证明椭偏仪测量结果是可信的。
（2）椭偏仪的测量结果不仅精确可靠，而且灵敏度高，数据操作简便，检测到的偏差也不大，仪器可靠性得到进一步的确立。
椭偏仪测量薄膜厚度和折射率实验报告实验目的：1.学习使用椭偏仪测量薄膜的厚度和折射率。
2.了解光线在薄膜中的传播和干涉现象。
实验仪器和材料：1.椭偏仪2.微米螺旋3.干净的玻璃片4.一块薄膜样品5.直尺6.实验台7.光源实验原理：椭偏仪是一种用于测量透明物体表面薄膜的厚度和折射率的仪器。
当光线从真空进入具有一定折射率的介质中时，会发生折射和反射。
当光线垂直入射到薄膜表面时，经过多次反射和折射后会形成干涉现象。
通过观察测量光的振幅和相位差的变化，可以推导出薄膜的厚度和折射率。
实验步骤：1.将实验台安装好，并确保椭偏仪的光源正常工作。
2.用直尺测量玻璃片和薄膜样品的尺寸，并记录下来。
3.将玻璃片放在实验台上，并将椭偏仪对准玻璃片。
4.调节椭偏仪的干涉仪臂使得产生清晰的干涉条纹。
5.使用微米螺旋逐渐调整反射镜的角度，直到条纹的清晰度达到最佳状态。
6.记录下此时的微米螺旋读数，并用直尺测量薄膜样品的厚度，得到薄膜的实际厚度。
7.调节椭偏仪的角度，使得干涉条纹平行于椭偏仪的刻度线。
8.记录下此时的椭偏仪读数，并计算出薄膜的厚度。
9.重复以上步骤2-8三次，并求取平均值。
10.使用已知的材料的折射率标定椭偏仪，并根据标定值计算出薄膜样品的折射率。
实验结果：根据实验步骤中记录的数据，计算出薄膜样品的平均厚度和折射率。
实验讨论：2.在实验中，可以尝试调节椭偏仪的角度和干涉条纹的清晰度，以获得更准确的测量结果。
3.实验中使用的薄膜样品的厚度和折射率可以进一步研究其与其他因素的关系，如温度、湿度等。
实验结论：通过使用椭偏仪测量薄膜的厚度和折射率，可以得到薄膜样品的相关参数。
实验结果表明，椭偏仪是一种能够精确测量薄膜和折射率的有效工具。
通过该实验，我们可以深入理解光的干涉现象和薄膜的光学性质。
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 200767025 姓名 童凌炜同组者： 班级 材料0705 学号 200767007 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：2211sin sin ϕϕn n = 或1212222sin cos ϕϕn n n -=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：⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧+=-+=+--=+-=)sin(cos sin 2)cos()sin(cos sin 2)sin()sin()tan()tan(211221211221212121ϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕsp s p t t r r2. 反射系数比G定义反射系数比)](exp[||||s p s p sp i r r r r G δδ-==而通常G 往往被写成如下形式：)exp(tan ∆⋅=i G ψ 其中 ||tan sp r r =ψ sp δδ-=∆根据前式，可以得到21122112]tan )11(1[sin ϕϕ⋅+-+⋅⋅=GG n n 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φ1下测定反射系数比G ， 则可以去顶介质2的折射率n2.3. 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如图（5-3-2）所示为“三介质二界面”模型，我们假定：3.1薄膜两侧的介质是半无解大的，折射率分别为1n 和3n3.2薄膜折射率为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 3.3 三种介质都是均匀的各向同性的根据以上条件假设和图中的几何关系， 可以得到：δδδδψ2231222312223122231211tan i s s i s s i p p i p p s pi e r r e r r e r r e r r R R e G ----∇++⋅++==⋅=其中⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧===+-=+-=+-=+-=332211223322332223221122111232233223232112211212sin sin sin /cos 42)cos cos /()cos cos ()cos cos /()cos cos ()cos cos /()cos cos ()cos cos /()cos cos (ϕϕϕλϕπδϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕn n n dn n n n n r n n n n r n n n n r n n n n r s s p p4. 光在金属表面反射的电磁理论——金属复折射率的测量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iNK N n -=2经过近似计算，可以得出⎪⎩⎪⎨⎧∆⋅=∆⋅+⋅⋅⋅=sin 2tan cos 2sin 12cos tan sin 111ψψψϕϕK n N5. 用椭偏法测量反射系数比反射系数比G 的测量归结为两个椭偏角ψ、∆的测量。
椭偏仪测折射率和薄膜厚度实验简介椭圆偏振光在样品表面反射后，偏振状态会发生变化，利用这一特性可以测量固体上介质薄膜的厚度和折射率。
它具有测量范围宽（厚度可从10^-10~10^-6m量级）、精度高（可达百分之几单原子层）、非破坏性、应用范围广（金属、半导体、绝缘体、超导体等固体薄膜）等特点。
目前商品化的全自动椭圆偏振光谱仪，利用动态光度法跟踪入射光波长和入射角改变时反射角和偏振状态的变化，实现全自动控制以及椭偏参数的自动测定、光学常数的自动计算等，但实验装置复杂，价格昂贵。
本实验采用简易的椭圆偏振仪，利用传统的消光法测量椭偏参数，使学生掌握椭偏光法的基本原理，仪器的使用，并且实际测量玻璃衬底上的薄膜的厚度和折射率。
在现代科学技术中，薄膜有着广泛的应用。
因此测量薄膜的技术也有了很大的发展，椭偏法就是70年代以来随着电子计算机的广泛应用而发展起来的目前已有的测量薄膜的最精确的方法之一。
椭偏法测量具有如下特点：1. 能测量很薄的膜（1nm），且精度很高，比干涉法高1-2个数量级。
2. 是一种无损测量，不必特别制备样品，也不损坏样品，比其它精密方法：如称重法、定量化学分析法简便。
3. 可同时测量膜的厚度、折射率以及吸收系数。
因此可以作为分析工具使用。
4. 对一些表面结构、表面过程和表面反应相当敏感。
是研究表面物理的一种方法。
实验仪器椭偏仪测折射率和薄膜厚度实验装置包括：激光器（氦氖或半导体）、分光计、光栏、望远镜、黑色反光镜、薄膜样品、起偏器、检偏器、1/4波片。
实验内容1. 熟悉并掌握椭偏仪的调整椭偏仪实物图椭偏仪结构示意图椭偏仪的实物如上图所示。
了解图中各部件的作用，并学会正确调整。
2. 调整光路，并使入射到样品的光为等幅椭圆偏振光(1) 安装半导体激光器并调整分光计，使半导体激光器光束、平行光轴的中心轴、望远镜筒的中心轴同轴。
(2) 标定检偏器透光轴的零刻度，并使检偏器的透光轴零刻度垂直于分光计主轴。
椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率实验目的：1.了解椭偏光法测量原理和实验方法。
2.熟悉椭偏仪器的结构和调试方法。
3.测量介质薄膜样品的厚度和折射率。
实验原理：1.椭圆偏振方程在一光学材料上镀各向同性的单层介质膜后，光线的反射和折射在一般情况下会同时存在的。
通常，设介质层为n1、n2、n3，φ1为入射角，那么在1、2介质交界面和2、3介质交界面会产生反射光和折射光的多光束干涉，如图(1-1)图(1-1) 这里我们用2δ表示相邻两分波的相位差，其中2/1122122)sin (360ϕλδn n d -=（*），用r1p 、r1s 表示光线的p 分量、s 分量在界面1、2间的反射系数， 用r2p 、r2s 表示光线的p 分、s 分量在界面2、3间的反射系数。
由多光束干涉的复振幅计算可知：其中rp E 和rs E 分别代表入射光波电矢量的p 分量和s 分量，rp E 和rs E 分别代表反射光波电矢量的p 分量和s 分量。
现将上述ip E 、is E 、rp E 、rs E 四个量写成一个量G ，即：我们定义G 为反射系数比，它应为一个复数，可用tg ψ和Δ表示它的模和幅角。
上述公式的过程量转换可由菲涅耳公式和折射公式给出：上述复数方程表示两个等式方程： Re （tg ∆i e ψ)=Re )11(221221221221δϕδϕi s s i s s i p p i p p e r r er r e r r er r ----++++Im (tg ∆i e ψ) = Im )11(221221221221δϕδϕi s s i s s i p p i p p er r er r e r r er r ----++++若能从实验测出ψ和Δ的话，原则上可以解出n2和d (n1、n3、λ、φ1已知)，根据公式(4)~(9)，推导出ψ和Δ与r1p 、r1s 、r2p 、r2s 、和δ的关系：由上式经计算机运算，可制作数表或计算程序。
实验三 用反射椭偏仪测量折射率和薄膜厚度物理学院物理系 00004037 贾宏博 同组人：00004038 孙笑晨1 实验原理当样品对光存在强烈的吸收（如金属）或者待测薄膜厚度远远小于光的波长时，通常用来测量折射率的几何光学方法和测量薄膜厚度的干涉法均不再适用。
本实验用一种反射型椭偏仪测量折射率和薄膜厚度的方法。
用反射型椭偏仪可以测量金属的复折射率，并且可以测量很薄的薄膜（几十埃）。
反射型椭偏仪的基本原理是，用一束椭圆偏振光作为探针照射到样品上，由于样品对入射光中平行于入射面的电场分量（以下称p 分量）和垂直于入射面的电场分量（以下简称s 分量）由不同的反射、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。
样品对入射光电矢量的p 分量和s 分量的反射系数之比G 正是把入射光与反射光的偏振状态联系起来的一个重要物理量。
同时，G 又是一个与材料的光学参量有关的函数。
因此，设法观测光在反射前后偏振状态的变化可以测定反射系数比，进而得到与样品的某些光学参量（例如材料的复折射率、薄膜的厚度等）有关的信息。
1.1 光在两种均匀、各向同性介质分界面上反射如图3-1所示，单色平面波以入射角1ϕ入射到折射率为1n 的介质1和折射率为2n 的介质2的分界面上，折射角为2ϕ。
选用p 、s 分量的方向分别与入射光、反射光、透射光的传播方向构成右旋直角坐标系。
用（ip E ，is E ），（rp E ，rs E ），（tp E ，ts E ）分别表示入射、反射、透射光电矢量的复振幅。
定义下列反射和透射系数：/,//,/p rp ip s rs isptp ip s ts is r E E r E E t E E t E E ==⎧⎪⎨==⎪⎩（3-1）图3-1光在两种介质界面上的反射把,p s r r 写成复数形式：exp(),exp()p p p s s s r r i r r i δδ==（3-2） 定义反射系数比/p s G r r = （3-3） 通常写成i G tg e ∆=ψ（3-4）由式（3-2）和式（3-3）可知/p s tg r r ψ=，p s δδ∆=-（3-5）根据Maxwell 方程组和界面上的连续条件，可得波在界面上反射的Fresnel 公式：211221121212112211221212112112211212111(cos cos )/(cos cos )()/()(cos cos )/(cos cos )sin()/sin()2cos /(cos cos )2sin cos /sin()cos()2cos /(cos p s psr n n n n tg tg r n n n n t n n n t n n ϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕ=-+=-+=-+=--+=+=+-=1222112cos )2sin cos /sin()n ϕϕϕϕϕ⎧⎪⎪⎨⎪⎪+=+⎩（3-6） 利用折射定律1122sin sin n n ϕϕ=（3-7）结合式（3-5）、（3-6）、（3-7）得21/2221111sin 11G n n tg G ϕϕ⎡⎤-⎛⎫=+⎢⎥ ⎪+⎝⎭⎢⎥⎣⎦（3-8）由式（3-8）可以看出，如果1n 是已知的，那么在一个固定的入射角1ϕ下测定反射系数比G ，则可以确定介质2得复折射率2n 。
对于金属表面反射的情形，金属折射率分解为实部和虚部，即2n N iNK =-（3-9）当22n 的幅值222(1)N K +比2211sin n ϕ大得多时，可以近似的得到111sin cos 2/(12sin 2cos )2sin N n tg K tg ϕϕ=ψ+ψ∆⎧⎨=ψ∆⎩（3-10）（3-10）式即为本实验中求金的复折射率的近似公式。
1.2 光在介质薄膜上反射。
假设（1）薄膜两侧的介质是半无限大的，折射率分别为1n 和3n 。
通常介质1为周围环境，如真空、空气等；介质3为薄膜的衬底材料。
（2）薄膜的折射率为2n ，它与两侧的介质之间的界面1和界面2彼此平行并且都是理想的光滑平面。
两界面间距离即为膜厚度d 。
（3）三种介质都是均匀和各向同性的。
当光线以入射角1ϕ从介质1入射到薄膜上时，由于薄膜上、下表面（即界面1、2）对光的多次反射和折射，我们在介质1内得到的总反射波是多次反射波相干叠加的结果。
经过计算可以得到总反射波的复振幅（,rp rs E E ）与入射波的复振幅（,ip is E E ）的关系。
若定义薄膜对于入射光电矢量的p 分量和s 分量的总反射系数分别为//p rp ips rs isR E E R E E =⎧⎪⎨=⎪⎩ （3-11）则有21221221221211i p p p i p p i s s s i s s r r e R r r e r r e R r r e δδδδ----⎧+=⎪+⎪⎨+⎪=⎪+⎩（3-12）定义反射系数比/p s G R R =（3-13）则可得22121222121211i i p p i s s i i p p s s r r e r r e G tg e r r e r r eδδδδ--∆--++=ψ=⋅++ （3-14）其中222cos /dn δπϕλ=，其余各量均为1231,,,,,n n n d λϕ的函数，所以1231(,,,,,)G f n n n d λϕ=，1,arg()tg f f -ψ=∆=（3-15）1.3 用椭偏法测量反射系数比如前所述，把G 写成i G tg e ∆=ψ的形式，因此反射系数比的测量归结为两个椭偏角,ψ∆的测量。
为了测量,ψ∆，需要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。
但如果设法使入射光成为等幅椭偏光（即/1ip is E E =），问题大大简化。
此时，/rp rsip is rp rstg E E ββββ⎧ψ=⎪⎨∆+-=-⎪⎩ （3-16）由上式看出，对于确定的,ψ∆来说，如果连续调节()ip is ββ-那么有可能使反射光变成线偏振光，即0rp rs ββ-=或π。
这样只需测定/rp rs E E 以及()ip is ββ-就可以得到,ψ∆的值了。
综上，椭偏法的要点，首先要获得()ip is ββ-连续可调的等幅椭偏入射光；其次，对不同的样品，改变()ip is ββ-的数值，使反射光成为线偏振光并用检偏器来检测。
1.4 等幅椭偏光的获得入射到待测样品上的椭圆偏振光可以由单色光束（He-Ne 激光）经起偏器和1/4波片获得。
调节起偏器的透光方向t 与x 轴的夹角P 可以使()ip is ββ-成为连续可调。
1.5 反射光的检测当检偏器的透光方向t ’与线偏振光垂直时，构成消光状态。
记t ’与入射面的夹角为A ，称为检偏角。
用两个不同的消光位置的测量值求平均可以抵消因1/4波片不精确而造成的误差。
按下列公式计算,ψ∆：211()2A A πψ=-+（3-17）1212121212121212180()2,(,180)540()2,(,180)360()2,()P P P P P P P P P P P P P P P P θθθ︒-++>+<︒⎧⎪∆=︒-++>+>︒⎨⎪︒-++<⎩（3-18）式中θ为椭偏仪的仪器误差，与样品无关。
2实验仪器本实验所使用的仪器为国产TP-77型椭圆偏振测厚仪。
该仪器采用波长为6328Ǻ的He-Ne激光器作为单色光源。
消光检测为肉眼目视和光电倍增管相结合的方法。
3实验方法和内容3.1 待测样品 3.1.1 硅衬底上生长的SiO 2膜。
3.1.2 在玻璃衬底上蒸镀的一层TiO 2膜。
3.1.3钢块表面蒸镀的一层金膜。
3.2 测试方法 3.2.1调节样品台的高度以及水平。
确保从样品上反射的光在观察窗中呈现完整的圆形亮斑，并且当转动样品台时，亮斑不要转动或只有很小的转动。
入射角固定为170.0ϕ︒=3.2.2光电倍增管的高压取800V 。
选择放大器的灵敏度为510A μ-（先用目视观察窗，再用光电倍增管并逐步增高灵敏度）。
反复调节P 和A 两个角度调节旋钮使光电流达到最小值。
3.2.3在11(,)A P 和22(,)A P 两个不同的消光位置反复测量几次，以消除1/4波片不精确而造成的A 值偏差。
4 实验数据处理4.1 查表计算SiO 2膜的厚度和实折射率表3-1SiO A2170.94.2查表计算TiO 2膜的厚度和实折射率（表）/d An109.42.324.3 计算金的复折射率表3-3金的复折射率测量n5实验结果与讨论A2170.9 109.4 ---- ----22膜的结果为查表而得，考虑内插法的近似性，约有实验中SiO 2膜和TiO 2膜的测量重复性很好，故只选一组代表性数据。
但金样品在不同位置测量的重复性很差，折射率的实部有很大差异而虚部相差不大。
考虑金属折射率的虚部代表吸收特性而实部代表反射特性，而金膜样品可能表面并不严格均匀平滑，所以出现这种结果可以理解。
6思考题6.1 用反射型椭偏仪测量材料的折射率和薄膜厚度时，对样品的制备有什么要求？ 答：薄膜样品的应当在足够的面积上厚度均匀、各向同性、无杂质和缺陷。
衬底材料也应均匀和各向同性。
另外，薄膜厚度应当在00D -之间，否则需要其他测量方法给出周期数的参考信息才能完成测量。
6.2 如果介质1不是各向同性或者对光有吸收，则对反射系数比的测量有什么影响？这时所用的测量公式是否依然成立？为什么？答：如果介质1不是各向同性或者对光有吸收，则会对反射光的相位p δ和s δ有额外附加的相位影响。
导致反射系数比的测量公式的偏差，需要做修正。
6.3 试列举椭偏测量中几种可能的误差来源并分析他们对测量结果的影响。
答：除了消光位置的判断不严格这种偶然误差外，还有以下可能的系统误差。
1. 1/4波片的快慢轴相位差不严格为/2π。
快轴与入射面的夹角也不严格为45︒。
会对ψ和∆的测量产生系统误差。
在讲义上有详述。
可以通过在不同消光位置的测量值平均而消除。
2. 样品台不完全与入射光-反射光平面垂直。
导致入射角1ϕ的系统误差。
可以通过仔细调整支撑螺钉而减小。
3. 样品制备的不理想，如表面有划伤、凹凸或不均匀等。
这种影响带来的误差难以预计和消除。
只能通过多个位置的测量来评估。
4. 激光波长的不稳定。
若使用已有数据表会有一定误差。
但一般He-Ne 激光的频率相对比较稳定，故此种误差一般可以忽略。
7对于本实验的理解和认识通过本实验，我初步掌握了椭偏法测量薄膜厚度和折射率这一方法以及适用的范围。
在科研组的工作中，我经常需要在硅或其他衬底上蒸镀金属或其他材料的薄膜（几个nm 厚，作为催化剂用于生长纳米线）。
