椭偏测厚仪主要参数与工作原理

椭偏测厚仪主要参数及工作原理“椭偏测厚仪”有关情况介绍一、引言：1、椭偏法是一种测量光在样品表面反射后偏振状态改变的广西方法，它可以同时测得样品薄膜的厚度和折射率。

由于此法具有非接触性、非破坏性以及高灵敏度、高精度等优点，鼓广泛用于薄膜厚度及材料的光学常数的测定。

2、椭偏法测量数据可在短时间内快速采集，可对各类薄膜的生长和工艺过程进行实时监测，故已成为半导体行业重要的在线监测设备之一。

3、纳米技术是当今科技的发展热点，能精确测得纳米级薄膜厚度和折射率的椭偏测量技术受到人们的高度重视和关注。

二、椭偏测厚仪发展概况：1、椭偏测厚仪在我国起步较晚，70年代我国自行设计生产的椭偏测厚仪只有“TP-77型椭偏测厚仪”和“WJZ型椭偏测厚仪”。

基本上是手动测量，仅配一种入射角和衬底材料的薄膜（n，d）~（Ψ，Δ）函数表（如SiO2，70°入射角，波长632.8nm）。

2、90年代末，华东师范大学研制并生产了“HST-1型”和“HST-2型”多功能智能椭偏测厚仪。

该仪器使用计算机技术，利用消光法自动完成，测量薄膜的厚度和折射率。

3、进入二十一世纪，国内生产自动椭偏测厚仪的厂家逐渐多起来。

如：天津港东科技发展有限公司生产的“SGC-1型椭圆偏振测厚仪”、“SGC-2型自动椭圆偏振测厚仪”。

天津拓普仪器有限公司生产的“TPY-1型椭圆偏振测厚仪”和“TPY-2型自动椭圆偏振测厚仪”等。

现将目前国内生产的几种自动椭圆偏振测厚仪，其性能指标等参数列表如下，供参考：国内几种“椭圆偏振测厚仪”的性能参数三、消光法测量薄膜和折射率的计算公式：1．在椭偏法测量中，为了简便，通常引入两个物理量——Ψ，Δ来描述反射光偏振态的变化，它们与总反射系数p R （p 分量，在入射面内），s R （s 分量，在垂直于入射面内）之间的关系，定义如下：tan Ψi e ?=p R /s R —————————偏振方程○1 式中：Ψ，Δ ——椭偏参数（均为角度度量）Ψ ——相对振幅衰减Δ ——相位移动之差在固定实验条件下：~1n 和~3n 为已知，则Ψ=Ψ（d ，~2n ），Δ=Δ（d ，~2n ）2122121i p p p i p p r r e R r r e δδ--+?=+??，2122121i s s s i s s r r e R r r e δδ--+?=+??式中：2δ——相邻两光束的相位差，设膜厚为d ，光波长为λ，则有：122~~~22221122()d n Cos d n n Sin ππδ??λλ==??-?———○2若：P-起偏角，A-检偏角则：Ψ=A ，Δ=k ×180°+90°-2p （当0°≤p ≤135°时，k=1；当135°≤p≤180°时，k=3）综上：通过测得起偏角P 和检偏角A ，即可求得Ψ，Δ，还可反求d ，~2n 。

用椭圆偏振仪测量透明薄膜厚度和折射率一、实验目的1．了解偏振法测量薄膜参数的基本原理。

2．了解激光椭圆偏振仪的结构，学会正确的调节和使用。

3．用椭圆偏振仪测量透明薄膜的厚度和折射率。

二、实验原理起偏器产生的线偏振光经四分之一波片后成为特殊的椭圆偏振光，把它投射到待测样品的表面上，只要起偏器取适当的方向，被测薄膜样品上反射出来的将是线偏振光，然后通过检偏器消光检测。

由于样品对于入射光中平行于入射面的电场分量和垂直于入射面的电场分量有不同的反射、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。

因此根据偏振光在反射前后偏振状态的变化，可以确定样品的薄膜厚度和折射率等光学参量。

实验中为简化计算，将四分之一波片的主方向定为45度，即出射的椭圆偏振光变为圆偏振光。

三、实验仪器分光计、四分之一波片、激光器、偏振片。

四、实验步骤1、水平度盘的调整：（1）调整望远镜与平行光管同轴。

（2）将水平度盘对准零位。

2、调整栽物台与游标盘的旋转轴，使之垂直望远镜的光轴。

3、检偏器读数头位置的调整与固定（1）打开氦氖激光器开关，使激光束通过小孔光栏和检偏器中心（此时起偏器不要装上），将检偏器读数头90°读数朝上，位置居中。

（2）将黑色反光镜置于装物台中央，将望远镜转过66°（与平行光管成114°夹角），使激光束按布儒斯特角（约57°）入射到黑色反光镜表面，使反射光在白屏上成为一个圆点。

（3）调整检偏器读数头与望远镜筒的相对位置（此时检偏器读数保持不变，即90°位置），使白屏上光点最暗，这时检偏器的透光轴一定平行于入射面，将此时检偏器读数头位置固定下来（拧紧三颗平头螺丝）。

4、起偏器读数头的调整：（1）取下黑色反光镜，将起偏器读数头套在平行光管镜筒上（此时1/4波片不要装上），使其读数0°朝上，位置居中。

（2）将望远镜转回原来位置，使检偏器和起偏器共轴，使激光束通过中心。

椭偏仪工作原理
椭偏仪（ellipsometer）是一种测量材料薄膜厚度、折射率等光学参数的仪器。

其工作原理基于材料对偏振光的改变，通过测量光的偏振状态的变化来获得需要的信息。

椭偏仪的工作原理可以分为两个主要部分：入射光的偏振旋转和检测光的分析。

在入射光的偏振旋转部分，一束线偏振光由光源发出，并通过一个偏振片进行偏振。

然后，这束偏振光射入样品表面。

当光通过样品时，材料结构会改变光的振动方向和相对强度。

通过调节偏振片的角度，可以选择不同角度的偏振光入射到样品表面，使得光在样品上产生不同的相对强度和振动方向的变化。

这些入射光经过样品后会接收到被样品反射或透射的光，并进入椭偏仪中的检测部分。

在检测部分，输入的透射或反射光经过特殊的光学元件，如四象限检测器，以测量光的相对强度和振动方向的变化。

这些测量结果通过与理论模型进行比较和分析，可以确定样品的光学参数，如薄膜的厚度和折射率。

通过反复改变入射光的偏振方向，并测量检测光的振动状态和相对强度，可以构建出一个椭圆，称为椭圆参数。

从椭圆参数中可以提取出样品的光学性质，并得到所需的信息。

总的来说，椭偏仪的工作原理基于材料对偏振光的改变，通过测量入射光的偏振旋转和检测光的分析来获取样品的光学参数。

近代物理实验椭圆偏振仪—薄膜厚度测量本实验所用的反射式椭偏仪为通常的PCSA 结构，即偏振光学系统的顺序为起偏器（Polarizer ）→补偿器（Compensator ）→样品（Sample ）→检偏器（Analyzer ），然后对其输出进行光电探测。

一．实验原理1． 反射的偏振光学理论图1 光在界面上的反射，假定21n n <，B ϕϕ<1（布儒斯特角），则rs E 有π的相位跃变，光在两种均匀、各向同性介质分界面上的反射如图1所示，单色平面波以入射角1ϕ，自折射率为1n 的介质1射到两种介质的分界面上，介质2的折射率为2n ，折射角2ϕ。

用（is ip E E ,），（rs rp E E ,），（ts tp E E ,）分别表示入射、反射、透射光电矢量的复振幅，p 表示平行入射面即纸面的偏振分量、s 表示垂直入射面即垂直纸面的偏振分量，每个分量均可以表示为模和幅角的形式)exp(||ip ip ip i E E β=，)exp(||is is is i E E β= （1a ） )exp(||rp rp rp i E E β=，)exp(||rs rs rs i E E β= （1b ） )exp(||tp tp tp i E E β=，)exp(||ts ts ts i E E β=（1c ） 定义下列各自p ，s 分量的反射和透射系数：ip rp p E E r /=，is rs s E E r /=（2a ） ip tp p E E t /=，is ts s E E t /=（2b ） 根据光波在界面上反射和折射的菲涅耳公式：21122112cos cos cos cos ϕϕϕϕn n n n r p +-=（3a ） 22112211cos cos cos cos ϕϕϕϕn n n n r s +-=（3b ） 211211cos cos cos 2ϕϕϕn n n t p +=（3c ） 221111cos cos cos 2ϕϕϕn n n t s +=（3d ） 利用折射定律：2211sin sin ϕϕn n =（4） 可以把式（3a ）-（3d ）写成另一种形式)()(2121ϕϕϕϕ+-=tg tg r p(5a) )sin()sin(2121ϕϕϕϕ+--=s r（5b ） )cos()sin(sin cos 2212121ϕϕϕϕϕϕ-+=p t（5c ）)sin(sin cos 22121ϕϕϕϕ+=s t （5d ） 由于折射率可能为复数，为了分别考察反射对于光波的振幅和位相的影响，我们把p r ，s r 写成如下的复数形式：)exp(||p p p i r r δ= （6a ） )exp(||s s s i r r δ= （6b ） 式中||p r 表示反射光p 分量和入射光p 分量的振幅比，p δ表示反射前后p 分量的位相变化，s 分量也有类似的含义，有ip p rp E r E = （7a ）is s rs E r E = （7b ）定义反射系数比G ：s pr r G = （8）则有: is ip rs rpE E G E E = （9）或者由式（1）式，)](exp[||||)](exp[||||is ip is ip rs rp rs rp i E E G i E E ββββ-=- （10）因为入射光的偏振状态取决于ip E 和is E 的振幅比||/||is ip E E 和位相差（is ip ββ-），同样反射光的偏振状态取决于||/||rs rp E E 和位相差（rs rp ββ-），由式（10），入射光和反射光的偏振状态通过反射系数比G 彼此关联起来。

椭偏仪的测试原理
椭偏仪的测试原理主要基于椭圆偏振光在材料表面的反射和透射特性。

入射光束（线偏振光）的电场可以在两个垂直平面上分解为矢量元，这两个平面分别是P平面（包含入射光和出射光）和s平面（与P平面垂直）。

当光束在材料表面发生反射或透射时，反射光或透射光通常为椭圆偏振光。

椭偏仪通过测量反射光或透射光的偏振态变化，包括振幅衰减比和相位差，来分析材料的光学属性和其他相关参数。

这些参数包括但不限于薄膜厚度、折射率、消光系数等。

椭偏仪的测量过程通常涉及多个界面，需要考虑每个界面的反射和透射效应。

椭偏仪的入射角范围通常在45°到90°之间，以便在探测材料属性时提供最佳的灵敏度。

此外，椭偏仪的测量结果通常以波长和入射角为函数，通过分析这些数据可以得到所需的光学常数、膜层厚度以及其他感兴趣的参数值。

椭偏仪具有无损、非接触和无需真空环境的优点，这使得它成为一种极具吸引力的光学测量设备，广泛应用于半导体、光学掩膜、圆晶、金属、介电薄膜、玻璃、激光反射镜、大面积光学膜、有机薄膜等领域。

特别是在原子层沉积技术中，椭偏仪可用于测量纳米薄膜厚度，并实时监测薄膜生长过程。

椭偏仪测薄膜厚度的基本原理
1 薄膜厚度测量原理
椭偏仪是常用的薄膜厚度测量仪器，它可以有效地测量几乎任何
材料表面上由薄膜形成的厚度。

薄膜厚度测量原理是使用电磁阻抗原理，即椭偏仪发射一束同频的极化微波，该微波在发射维护发射端的
接收维护发射端的声音，其中发射端的微波通过薄膜而不能完全传导
微波，部分微波在薄膜样本表面反射，从而产生极化变化。

维护发射
端可以测得这种反射微波的变化，从而用以计算薄膜厚度。

2 信号处理原理
椭偏仪还可以通过处理信号以获取薄膜厚度，而无需测量仪器。

信号处理过程有三种：一是单程微波处理，即只使用发射端接收到的
反射微波进行处理；二是双程微波处理，发射端接收到的反射信号和
接收端发出的信号同时进行处理；三是易程微波处理，只使用发射端
接收到的信号进行处理，但是处理的步骤可以大幅增加。

3 椭偏仪典型应用
椭偏仪测量厚度范围很广，从几微米到几十微米不等，并且可以
测量石墨烯、氧化铝、核聚变堆壳体表面的薄膜厚度。

椭偏仪还可以
应用于模具的成型深度的测量，以及光学系统、显示屏等设备的成型、光学精度的检测。

它是生物医学、能源、电子、新材料、环境保护等
领域的重要检测仪器。

椭偏仪的原理和适用范围:椭圆偏振测量技术是研究两媒质间界面或薄膜中发生的现象及其特性的一种光学方法,基于利用偏振光束在界面和薄膜上反射或透射时出现的偏振态的变化。

由于它的非扰动性和高灵敏度,因而在科学研究和工业生产的许多领域中获得广泛的应用。

因为从一束反射偏振光中决定相对位相变化较简单的反射率测量要灵敏得多,因而椭偏测量较强度反射率测量更为精确,而反射光的绝对强度是不能测量的。

改变光束入射角度和测量所用光束波长( 分光) 相结合更能从一个给定的样品采集到大量有用的数据,以适应各种不同的样品材料和结构,扩大测量范围。

椭偏测量基本上就是光束偏振态测量。

通常,椭偏测童将样品描述为一个改变光束偏振态的“光学系统”,而对于薄膜样品分析则这个“光学系统”简单地是光从样品的反射。

椭偏仪所测量的量是电场S分量和P分量的反射系数的比值ρ,即假设入射电场分量在S-P坐标系中与坐标轴成45。

,则E r p= E r S,因而这样,tan (φ)必就表示为电场反射分量E r p和E r S的振幅比,△则表示电场反射分量的E r p和E r S位相差。

由此可知,椭圆偏振测量的量值主要是两个量的比值,因此测量可以是非常精确的和很好再现的。

由于比值是复数,它含有“位相”(△) 信息,因而测量是十分灵敏的。

由上述公式可以看出,椭圆偏振测量可以用于确定薄膜厚度t和光学常数n,而且是很灵敏的。

因而是用于确定近紫外、可见和近红外波长区域薄膜光学常数的首选技术。

近几年来, 由于自动光谱数据采集系统和快速数字微型电子计算机的发展,椭圆偏振测量技术已被广泛用于常规的样品分析。

光谱椭偏测量技术与入射角自动变化相结合更是一项非常有用的薄膜测量技术。

椭偏仪器的原理材料及薄膜参数测量椭偏仪器是一种用于测量物质样品的光学性质的仪器，主要包括测量样品的楔块角度、相位差、透射率等参数。

本文将对椭偏仪器的原理、材料以及薄膜参数测量进行详细介绍。

椭偏仪器的原理是基于电矢量的幅度和相位的旋转现象。

当光线通过具有旋光性质的样品时，会引起光的振动方向发生旋转，这种旋转可以用偏振角度来描述。

椭偏仪利用偏振片和波片的分析和补偿作用，可以测量出光通过样品后的偏振状态的变化，从而得到样品的光学参数。

椭偏仪器的核心部件主要包括偏振片、椭圆偏振子、旋光片（或叫波片）和检测器等。

其中，偏振片用于选择特定方向的偏振光，椭圆偏振子用于生成特定椭圆偏振光，旋光片用于改变椭圆偏振光的相位差和方向。

检测器用于测量经过样品后的光信号强度和相位信息。

在使用椭偏仪器进行薄膜参数测量时，主要涉及两个步骤：一是通过旋光片调整椭圆偏振光的相位差和方向，使其与样品的光学性质相匹配；二是测量样品透射的光强和光相位信息。

通过分析光强和光相位的变化，可以计算出样品的折射率、厚度、介电常数等参数。

在测量薄膜参数时，椭偏仪器需要考虑的主要材料是样品本身和光学元件。

样品通常是被测薄膜，可以是金属、半导体或介质材料。

光学元件需要具备高透过率、低反射率、高精度的光学性能，常用的材料有石英、光学玻璃、硅等。

薄膜参数测量主要包括折射率、膜厚和介电常数等参数。

通过椭偏仪器的测量，可以计算出样品的反射率和透射率，然后利用波动光学理论和数学优化算法，可以反推出样品的折射率和膜厚。

进一步，结合其他光学测试技术，如激光扫描插入技术、调制椭圆偏振技术等，可以获得更准确的介电常数等参数。

综上所述，椭偏仪器是一种用于测量物质样品光学性质的重要仪器。

通过调节光学元件的相位差和方向，测量样品透射的光强和光相位信息，可以计算得到样品的折射率、膜厚和介电常数等参数。

在薄膜材料研究、光学器件设计和光学涂层制备等领域有着广泛的应用价值。

椭偏仪的原理和适用范围
椭偏仪是一种用于测量光材料的光学性质的仪器。

它可以通过测量透射或反射光的偏振状态来确定材料的光学活性参数。

椭偏仪常用于研究材料的光学性质、确定材料的晶体结构、测量薄膜的光学性能等领域。

椭偏仪的核心部件是一个旋转棱镜。

旋转棱镜可以使光以不同的偏振状态通过样品。

椭偏仪还包括一个偏振器和一个检偏器，它们用于控制入射光的偏振状态和测量出射光的偏振状态。

椭偏仪还配备了一台光源和一个光探测器，用于提供光源并测量光的强度。

椭偏仪的使用步骤通常包括以下几个步骤：
1.将样品安装到样品台上，确保样品与光束垂直。

2.打开光源，调整偏振器和检偏器，使光束通过材料。

3.调整旋转棱镜的角度，以使光经过样品后的偏振状态最接近一个圆偏振光。

4.使用探测器测量出射光的强度，并记录相应的旋转棱镜的角度。

5.根据测量到的数据和斯托克斯矩阵的关系，计算出样品的光学性质参数。

椭偏仪的适用范围非常广泛。

它可以用于研究材料的光学性质，例如材料的折射率、吸收率、散射率等。

此外，椭偏仪还具有测量非晶态材料的能力，例如薄膜、液晶等材料。

椭偏仪还可以用于研究生物材料，例如蛋白质、DNA、细胞等的光学性质。

椭偏仪还可以用于测量光学元件的性能，例如偏振器、波片等。

总之，椭偏仪在物理、化学、生物学等领域都有广泛的应用。

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。

椭偏仪测量薄膜厚度和折射率实验目的1.了解椭偏仪测量薄膜参数的原理.2.初步掌握反射型椭偏仪的使用方法. 实验原理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n 1、n 2、n 3,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)衬底n 3 3ϕE ip 和E is 分别代表入射光波电矢量的p 分量和s 分量，E rp 和E rs 分别代表反射光波电矢量的p 分量和s 分量.现将上述E ip 、E is 、E rp 、E rs 四个量写成一个量G ,即:∆==i isip rs rp etg E E E E G ψ//=δϕ2212211i p p i p p er r e r r --++·δϕ2212211i s s i s s e r r e r r --++ (3)我们定义G 为反射系数比，它应为一个复数，可用ψtg 和∆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:推导出ψ和∆与r 1p 、r 1s 、r 2p 、r 2s 、和δ的关系:δδψ2cos 212cos 2[212212212212p p pp p p p p r r r r r r r r tg ++++=δδ2cos 22cos 21212212212212s s s s s s s s r r r r r r r r ++++⋅]1/2 (10)δδ2cos )1()1(2sin )1(1222211221p p p p p p r r r r r r tg +++--=∆-δδ2cos )1()1(2sin )1(1222211221s s s s s s r r r r r r tg+++---- (11)由上式经计算机运算,可制作数表或计算程序. 这就是椭偏仪测量薄膜的基本原理.G=∆i etg ψ=)}(){(//is ip rs rp i isip rs rp eE E E E ββββ--- (13)其中:=ψtg isip rs rp E E E E // ,∆i e =)}(){(is ip rs rp i eββββ--- (14)这时需测四个量，即分别测入射光中的两分量振幅比和相位差及反射光中的两分量振幅比和相位差，如设法使入射光为等幅椭偏光，1/=is ip E E ，则=ψtg rsrp E E /；对于相位角，有：)()(is ip rs rp ββββ---=∆ ⇒ =-+∆is ip ββrs rp ββ- (14)因为入射光is ip ββ-连续可调，调整仪器，使反射光成为线偏光，即rs rp ββ-=0或（π），则)(is ip ββ--=∆或)(is ip ββπ--=∆，可见∆只与反射光的p 波和s 波的相位差有关，可从起偏器的方位角算出.对于特定的膜, ∆是定值,只要改变入射光两分量的相位差)(is ip ββ-,肯定会找到特定值使反射光成线偏光, rs rp ββ-=0或（π）.实际检测方法①等幅椭圆偏振光的获得(实验光路如图1-2)⎪⎪⎩⎪⎪⎨-=)4sin(400πP E E s f在x 轴、y 轴上的分量为:)4/(2/0224/sin 4/cos ππππ-=-=P i i s f x e e E E E E )4/(2/0224/cos 4/sin ππππ--=+=P i i s f y e e E E E E 由于x 轴在入射面内,而y 轴与入射面垂直,故E x 就是E ip ,E y 就是E is .⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==-+)4/(0)4/(02222P i is P i ip e E E e E E ππ由此可见,当4/πα=时,入射光的两分量的振幅均为2/20E ,它们之间的相位差为2/2π-P ,改变P 的数值可得到相位差连续可变的等幅椭圆偏振光.这一结果写成:1/=is ip E E , 22πββ-=-P is ip同理, 当4/πα-=时,入射光的两分量的振幅也为2/20E ,相位差为)22(P -π实验处理：实验数据：41波片置+4541波片置-45o经计算机程序算得： 厚度为：117nm折射率为：2.08注：实验时先测六号样品，但测得的数据不正确，多次测量仍然如此，后发现样品表面已被人触摸过，表面薄膜已被破坏，在征得老师同意后，改测十号样品，故此实验数据均为十号样品的。

用反射椭偏仪测量折射率和薄膜厚度忻获麟（北京大学物理系，00104005，实验日期：十五周星期四）实验目的学习使用反射椭偏仪测量折射率和薄膜厚度实验仪器椭偏仪，激光器，样品等实验原理一、 基本原理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的s 分量和p 分量有不同的反射、透射系数，因此从样品上出射的光，偏振状态要发生变化。

下面会看到，样品对入射光电矢量的p, s 分量的反射系数比G 正是把入射光和反射光偏振状态联系在一起的重要物理量。

同时，G 又是一个和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G ，进而得到与样品某些光学参量有关的信息。

二、折射率定义下列反射、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 ==⎧⎨==⎩ 根据麦克斯维方程和界面上连续性条件并利用折射定律有121212122112122112()/()sin()/sin()2sin cos /sin()cos()2sin cos /sin()p s psr tg tg r t t ϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕ=-+⎧⎪=--+⎪⎨=+-⎪⎪=+⎩ 界面对于入射光电矢量的p 、s 分量有着不同的反射、透射系数。

因此，反射光和入射光的偏振态不同。

为了分别考察反射对于光波的振幅和相位的影响，我们把p r 、s r 写成如下的复数形式：exp()p p p r r i δ=， e x p ()s s s r r iδ=定义反射系数比为：，则有/p s G r r =exp ()exp ()rp ip rp rs ip is isE E i Gi ErsE ββββ⎡⎤⎡⎤-=-⎣⎦⎣⎦我们知道，入射光的偏振态取决于ip E 和is E 的振幅比/i p i s E E 和相位差()ip is ββ-，同样，反射光的偏振状态也有类似性质。

椭偏仪测薄膜厚度的基本原理
椭偏仪是一种用于测量薄膜厚度的仪器。

它的基本原理是将薄膜盖在一个玻璃板上，然后用椭偏仪的探头从玻璃板的上方扫描，获得薄膜厚度的信息。

椭偏仪的工作原理是将一个高频波长发射，然后将探头放置在玻璃板上，让高频波长穿过薄膜材料，探头会检测到薄膜材料的反射回来的高频波长，然后根据波长变化来计算出薄膜厚度。

由于椭偏仪采用了非接触式的原理，所以它可以准确地测量薄膜的厚度，而且可以测量特别薄的膜，大大减少了测量时间，准确度也更高。

另外，椭偏仪的测量范围也非常广，可以测量从0.1微米到20毫米的薄膜厚度，并且可以测量各种材料的薄膜厚度，包括金属薄膜、塑料薄膜、聚合物薄膜等。

总之，椭偏仪是一种用于测量薄膜厚度的非接触式仪器，它的测量准确度高，测量范围广，可以测量各种材料的薄膜厚度，因此得到了广泛的应用。

引言椭偏法测量薄膜厚度和折射率的研究在近代科学技术和日常生活中，各种薄膜的应用日益广泛。

因此，能够迅速和精确地测量薄膜参数是非常重要的。

在实际工作中可以利用各种传统的方法测定薄膜光学参数，如：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。

其中，因为椭圆偏振法具有测量精度高，灵敏度高，非破坏性等优点，并可用于研究固体表面及其膜层的光学特性，已在光学、半导体学、凝聚态物理、生物学、医学等诸多领域得到广泛的应用。

椭圆偏振测厚技术是一种测量纳米级薄膜厚度和薄膜折射率的先进技术，同时也是研究固体表面特性的重要工具。

一、实验目的1、了解椭偏仪的构造和椭圆偏振法测定薄膜参数的基本原理。

2、通过对薄膜样品厚度和折射率的测量，初步掌握椭圆偏振仪的使用和数据处理的方法。

二、实验原理1、椭偏法测量薄膜参数的基本原理图7-2 椭圆偏振光的产生i1F－薄膜样品，P’－检偏器光是一种电磁波，且是横波。

电场强度和磁场强度H与光的传播方向构成一个右旋的正交三矢族。

与光的强度、频率、位相等参量一样，偏振态也是光的基本量之一。

如果已知入射光束的偏振态，当测得通过某薄膜后的出射光偏振态，就能确定该薄膜影响系统光学性能的某些物理量，如折射率、薄膜厚度等。

如图7-1 所示，一束自然光（非偏振激光）经过起偏器后变成线偏振光，改变起偏器的方位角可以改变线偏光的振动方向。

此线偏光穿过1/4 波片后，由于双折射效应分成两束光，即o 光和e 光。

对正晶体的1/4 波片，o 光沿快轴方向偏振，e 光沿慢轴方向偏振，o 光的振动位相超前e 光 /2；对负晶体的1/4 波片情况反之。

因此，o 光e 光合成后的光矢量端点形成椭圆偏振光。

当椭圆偏振光入射到待测的膜面上时，如图7-2 所示，反射光的偏振态将发生变化，对于一定的样品，总可以找到一个起偏方位角，使反射光由椭圆偏振光变成线偏振光。

这时，转动检偏器，在某个方位角下得到消光状态。

椭偏仪的原理及应用1. 椭偏仪的原理椭偏仪（Ellipsometer）是一种用来测量材料光学性质的仪器。

它利用椭偏现象来分析材料或薄膜的光学特性。

椭偏仪通过测量材料对入射光的偏振状态的变化，可以获得材料的复折射率、透射率以及薄膜的厚度和复折射率等信息。

椭偏仪的原理可以通过杨氏矩阵描述。

杨氏矩阵是椭偏仪测试中的一个重要参数，表示了入射光与样品之间的相位关系。

通过测量样品反射的椭圆偏振光的参数，可以推导出杨氏矩阵的各个元素，从而得到样品的光学特性。

2. 椭偏仪的应用椭偏仪的应用非常广泛，特别在材料科学研究和工业制造领域有着重要的地位。

2.1 材料科学研究椭偏仪在材料科学研究中可以用于以下方面：•薄膜厚度的测量：椭偏仪可以精确地测量薄膜的厚度，从而在薄膜制备和研究过程中提供实时的监测和控制。

•薄膜折射率的测量：椭偏仪可以测量材料或薄膜在不同波长下的折射率，从而了解材料的光学性质。

•表面形貌的研究：椭偏仪可以通过测量材料表面的反射和散射特性，分析材料的表面形貌和粗糙度等信息。

2.2 薄膜制备和光学器件的开发椭偏仪在薄膜制备和光学器件的开发过程中起到了关键作用：•在薄膜制备过程中，椭偏仪可以实时监测薄膜的生长速率、厚度均匀性等参数，从而提供反馈控制，保证薄膜的质量。

•在光学器件开发中，椭偏仪可以测量器件的各种光学参数，如透过率、反射率等，从而评估器件的光学性能。

2.3 生物医学应用椭偏仪在生物医学领域也有着重要的应用：•生物膜研究：椭偏仪可以用于研究生物膜的光学特性和生物分子的相互作用。

•生物医学检测：椭偏仪可以用于检测和分析生物样品中的蛋白质、DNA、RNA等生物分子的光学性质和结构。

3. 结束语椭偏仪作为一种先进的光学测试仪器，可以广泛应用于材料科学研究、薄膜制备和光学器件的开发以及生物医学等领域。

通过测量样品的椭圆偏振光的参数，椭偏仪可以提供材料的复折射率、透射率、厚度和表面形貌等信息，为科学研究和工业应用提供了重要的数据支持。

椭偏仪测量薄膜厚度和折射率赵龙宇 PB06005068椭圆偏振测量（椭偏术）是研究两媒质界面或薄膜中发生的现象及其特性的一种光学方法，其原理是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射时出现的偏振变换. 椭圆偏振测量的应用范围很广，如半导体、光学掩膜、圆晶、金属、介电薄膜、玻璃(或镀膜)、激光反射镜、大面积光学膜、有机薄膜等，也可用于介电、非晶半导体、聚合物薄膜、用于薄膜生长过程的实时监测等测量。

结合计算机后，具有可手动改变入射角度、实时测量、快速数据获取等优点。

实验目的1.了解椭偏仪测量薄膜参数的原理.2.初步掌握反射型椭偏仪的使用方法. 使用仪器椭偏仪平台及配件 、He-Ne 激光器及电源 、起偏器 、检偏器 、四分之一波片等. 实验原理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n 1、n 2、n 3,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)33 图 1-1这里我们用2δ表示相邻两分波的相位差,其中δ=λϕπ/cos 222dn ,用r 1p 、 r 1s 表示光线的p 分量、s 分量在界面1、2间的反射系数, 用r 2p 、r 2s 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:ip i p p i p p rp E e r r e r r E δϕ2212211--++=… (1) is i s s i s s rs E er r e r r E δϕ2212211--++= (2)其中E ip 和E is 分别代表入射光波电矢量的p 分量和s 分量，E rp 和E rs 分别代表反射光波电矢量的p 分量和s 分量.现将上述E ip 、E is 、E rp 、E rs 四个量写成一个量G,即: ∆==i isip rs rp e tg E E E E G ψ//=δϕ2212211i p p i p p e r r e r r --++·δϕ2212211i s s i s s er r e r r --++ …(3) 我们定义G 为反射系数比，它应为一个复数，可用ψtg 和∆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:G 是变量n 1、n 2、n 3、d 、λ、1ϕ的函数(2ϕ 、3ϕ可1ϕ用表示 ) ,即f tg 1-=ψ, f arg =∆ , 称ψ和∆为椭偏参数,上述复数方程表示两个等式方程:[∆i e tg ψ]的实数部分=[δϕ2212211i p p i p p e r r e r r --++δϕ2212211i s s i s s er r e r r --++]的实数部分 [∆i e tg ψ]的虚数部分=[δϕ2212211i p p i p p e r r e r r --++δϕ2212211i s s i s s er r e r r --++]的虚数部分 若能从实验测出ψ和∆的话,原则上可以解出n 2和d (n 1、n 3、λ、1ϕ已知),根据公式(4)~(9),推导出ψ和∆与r 1p 、r 1s 、r 2p 、r 2s 、和δ的关系:δδψ2cos 212cos 2[212212212212p p pp p p p p r r r r r r r r tg ++++=δδ2cos 22cos 21212212212212s s s s s s s s r r r r r r r r ++++⋅]1/2…(10) δδ2cos )1()1(2sin )1(1222211221p p p p p p r r r r r r tg +++--=∆-δδ2cos )1()1(2sin )1(1222211221s s s s s s r r r r r r tg+++----…(11) 由上式经计算机运算,可制作数表或计算程序. 这就是椭偏仪测量薄膜的基本原理.若d 是已知,n 2为复数的话,也可求出n 2的实部和虚部.那么，在实验中是如何测定ψ和∆的呢？现用复数形式表示入射光和反射光ip i ip ip e E E β=ρ is i is is e E E β=ρ rp i rp rp e E E β=ρ rsi rs rs e E E β=ρ …(12) 由式(3)和(12)，得：G=∆i e tg ψ=)}(){(//is ip rs rp i isip rs rp eE E E E ββββ--- (13)⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧===+-=+-=+-=+-=)9.....(..............................cos cos cos )8..(................................................../cos 42)7)......(cos cos /()cos cos ()6).......(cos cos /()cos cos ()5).....(cos cos /()cos cos ()4)......(cos cos /()cos cos (33221122332233222221122111322332232211221121ϕϕϕλϕπδϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕn 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 p其中: =ψtg isip rs rp E E E E // , ∆i e =)}(){(is ip rs rp i eββββ--- (14)这时需测四个量，即分别测入射光中的两分量振幅比和相位差及反射光中的两分量振幅比和相位差，如设法使入射光为等幅椭偏光，1/=is ip E E ，则=ψtg rs rp E E /；对于相位角，有：)()(is ip rs rp ββββ---=∆ ⇒ =-+∆is ip ββrs rp ββ- (14)因为入射光is ip ββ-连续可调，调整仪器，使反射光成为线偏光，即rs rp ββ-=0或（π）， 则)(is ip ββ--=∆或)(is ip ββπ--=∆，可见∆只与反射光的p 波和s 波的相位差有关，可从起偏器的方位角算出.对于特定的膜, ∆是定值,只要改变入射光两分量的相位差)(is ip ββ-,肯定会找到特定值使反射光成线偏光, rs rp ββ-=0或（π）. 四、实际检测方法①等幅椭圆偏振光的获得(实验光路如图1-2),相 ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-=)4sin()4cos(02/0πππP E E P e E E s i f在x 轴、y 轴上的分量为:)4/(2/0224/sin 4/cos ππππ-=-=P i i s f x e e E E E E)4/(2/0224/cos 4/sin ππππ--=+=P i i s f y e e E E E E由于x 轴在入射面内,而y 轴与入射面垂直,故E x 就是E ip ,E y 就是E is .⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==+0)4/(02222i is P i ip e E E e E E π图1-3由此可见,当4/πα=时,入射光的两分量的振幅均为2/20E ,它们之间的相位差为2/2π-P ,改变P 的数值可得到相位差连续可变的等幅椭圆偏振光.这一结果写成: 1/=is ip E E , 22πββ-=-P is ip同理, 当4/πα-=时,入射光的两分量的振幅也为2/20E ,相位差为)22(P -π.实验内容：一．光路调节： 1、调节载物台水平； 2、游标盘0o 对齐度盘0o ； 3、调节二光管共轴 。

椭偏仪测量薄膜厚度和折射率实验目的:1.了解椭偏仪测量薄膜参数的原理.2.初步掌握反射型椭偏仪的使用方法.实验原理: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n 1、n 2、n 3,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)12 衬底n3 3ϕ 图 1-1这里我们用2δ表示相邻两分波的相位差,其中δ=λϕπ/cos 222dn ,用r 1p 、 r 1s 表示光线的p 分量、s 分量在界面1、2间的反射系数, 用r 2p 、r 2s 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:ip i p p i p p rp E e r r e r r E δϕ2212211--++=… (1) is i s s i s s rs E e r r e r r E δϕ2212211--++= (2)其中E ip 和E is 分别代表入射光波电矢量的p 分量和s 分量，E rp 和E rs 分别代表反射光波电矢量的p 分量和s 分量.现将上述E ip 、E is 、E rp 、E rs 四个量写成一个量G ,即: ∆==i isip rs rp e tg E E E E G ψ//=δϕ2212211i p p i p p e r r e r r --++·δϕ2212211i s s i s s er r e r r --++ …(3) 我们定义G 为反射系数比，它应为一个复数，可用ψtg 和∆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:G 是变量n 1、n 2、n 3、d 、λ、1ϕ的函数(2ϕ 、3ϕ可1ϕ用表示 ) ,即f tg 1-=ψ, f arg =∆ , 称ψ和∆为椭偏参数,上述复数方程表示两个等式方程:[∆i e tg ψ]的实数部分=[δϕ2212211i p p i p p e r r e r r --++δϕ2212211i s s i s s e r r e r r --++]的实数部分[∆i e tg ψ]的虚数部分=[δϕ2212211i p p i p p e r r e r r --++δϕ2212211i s s i s s er r e r r --++]的虚数部分 若能从实验测出ψ和∆的话,原则上可以解出n 2和d (n 1、n 3、λ、1ϕ已知),根据公式(4)~(9),推导出ψ和∆与r 1p 、r 1s 、r 2p 、r 2s 、和δ的关系:δδψ2cos 212cos 2[212212212212p p pp p p p p r r r r r r r r tg ++++=δδ2cos 22cos 21212212212212s s s s s s s s r r r r r r r r ++++⋅]1/2…(10) δδ2cos )1()1(2sin )1(1222211221p p p p p p r r r r r r tg +++--=∆-δδ2cos )1()1(2sin )1(1222211221s s s s s s r r r r r r tg+++----…(11) 由上式经计算机运算,可制作数表或计算程序. 这就是椭偏仪测量薄膜的基本原理.若d 是已知,n 2为复数的话,也可求出n 2的实部和虚部.那么，在实验中是如何测定ψ和∆的呢？现用复数形式表示入射光和反射光ip i ip ip e E E β= isi is is e E E β= rp i rp rp e E E β= rs i rs rs e E E β= …(12) 由式(3)和(12)，得：G=∆i e tg ψ=)}(){(//is ip rs rp i isip rs rp eE E E E ββββ--- (13)其中: =ψtg isip rs rp E E E E // , ∆i e =)}(){(is ip rs rp i eββββ--- (14)这时需测四个量，即分别测入射光中的两分量振幅比和相位差及反射光中的两分量振幅比和相位差，如设法使入射光为等幅椭偏光，1/=is ip E E ，则=ψtg rs rp E E /；对于相位角，有：)()(is ip rs rp ββββ---=∆ ⇒ =-+∆is ip ββrs rp ββ- (14)⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧===+-=+-=+-=+-=)9.....(..............................cos cos cos )8..(................................................../cos 42)7)......(cos cos /()cos cos ()6).......(cos cos /()cos cos ()5).....(cos cos /()cos cos ()4)......(cos cos /()cos cos (33221122332233222221122111322332232211221121ϕϕϕλϕπδϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕn 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 p因为入射光is ip ββ-连续可调，调整仪器，使反射光成为线偏光，即rs rp ββ-=0或（π）， 则)(is ip ββ--=∆或)(is ip ββπ--=∆，可见∆只与反射光的p 波和s 波的相位差有关，可从起偏器的方位角算出.对于特定的膜, ∆是定值,只要改变入射光两分量的相位差)(is ip ββ-,肯定会找到特定值使反射光成线偏光, rs rp ββ-=0或（π）.实际检测方法①等幅椭圆偏振光的获得(实验光路如图1-2),相位上超前2/π.⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-=)4sin()4cos(02/0πππP E E P e E E s i f在x 轴、y 轴上的分量为:)4/(2/0224/sin 4/cos ππππ-=-=P i i s f x e e E E E E )4/(2/0224/cos 4/sin ππππ--=+=P i i s f y e e E E E E由于x 轴在入射面内,而y 轴与入射面垂直,故E x 就是E ip ,E y 就是E is .⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==+0)4/(02222i is P i ip e E E e E E π图1-3由此可见,当时,入射光的两分量的振幅均为,它们之间的相位差为 ,改变P 的数值可得到相位差连续可变的等幅椭圆偏振光.这一结果写成:EMBED Equation.3 , EMBED Equation.3同理, 当 EMBED Equation.3 时,入射光的两分量的振幅也为 EMBED Equation.3 ,相位差为 EMBED Equation.3 . 数据记录及处理:EMBED Equation.3 波片置 EMBED Equation.DSMT4 的位置: EMBED Equation.DSMT482.0 4.0，波片置的位置:玻片后可以变成圆偏振光2. 椭偏光法测量薄膜厚度的基本原理是什么？ 答:基本原理如下:让一束椭圆偏振光以一定入射角入射到薄膜系统表面,经反射后,反射光束的偏振状态会发生变化,而这种变化与薄膜的厚度和折射率有关,因此只要能测量出偏振状态的变化量就能定出薄膜的厚度和折射率.1. 为了使实验更加便于操作及测量的准确性，你认为该实验中哪些地方需要改进？答: 在判断消光时，由于每个人的判断标准不同，所以容易产生误差。