椭圆偏振光法测定介质薄膜的厚度和折射率 (2)

实 验 报 告04级6系 王朝勇 PB04210066实验题目： 椭圆偏振光法测定介质薄膜的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：设介质层折射率分别为n 1、n 2、n 3,φ1为入射角,在界面1和界面2处会产生反射光和折射光的多光束干涉。

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的反射系数,用r 2p 、r 2s 表示光线的p 分量、s 分量在界面2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 rpE 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 is ip rsrp 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 e r r e r r --++ (3)定义G 为反射系数比，可用ψtg 和∆表示它的模和幅角。

根据菲涅耳公式和折射公式知: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⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧===+-=+-=+-=+-=)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[∆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 e r r e r r --++]的虚数部分若能从实验测出ψ和∆,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 p p 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)这就是椭偏仪测量薄膜的基本原理。

椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率摘要：椭圆偏振测量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，来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。

结合计算机后，椭圆偏振测量具有可手动改变入射角度、实时测量、快速数据获取等优点。

关键词：椭圆偏振偏振光偏振变换一、引言二、实验原理三、实验仪器本实验使用多功能激光椭圆偏振仪，由JJY型1分光计和激光椭圆偏振装置两部分组成，仪器安装调试后如图3.1-7所示。

其各部件功能如下：图3.1-7 实验仪器光源：包括激光管和激光电源。

激光管装在激光器座上，可以作水平、高低方位角调节和上下升降调节，发射632.8nm的单色光小孔光闸：保证激光器发出的激光束垂直照射在起偏器中心。

起偏器：产生线偏振光，读数头度盘刻有360个等分线，格值为1，游标度数为0.1，随度盘同步转动，其转角可在度盘上读出。

1/4波片：将线偏振光补偿为等幅椭圆偏振光，装在起偏器前端，与起偏器共用游标。

其读数为读数头度盘内圈刻度值。

载物台：支承被测样品，其使用调节方法见分光计说明书。

光孔盘：为防止杂散光进入检偏器而附设，可自由转动，并具有读数标尺，但它的方向对实验并无影响。

检偏器：与起偏器结构相同。

望远镜筒与白屏目镜：观察反射光状态。

四、实验内容1. 按调分光计的方法调整好主机。

2. 水平度盘的调整。

3. 光路调整。

4. 检偏器读数头位置的调整和固定。

5. 起偏器读数头位置的调整与固定。

6. 波片零位的调整。

7. 将样品放在载物台中央,旋转载物台使达到预定的入射角70°，即望远镜转过40°，使反射光在白屏上形成一亮点。

8. 分别用快速法，建表法，作图法测量硅衬底的薄膜折射率，薄膜基厚度和厚度周期。

9. 改变入射角，在入射角为65°，60°时再测两次。

五、数据处理实验采用氦氖激光器波长632.8nm，硅衬底n=3.85+0.02i。

实验记录数据如表1所示。

椭圆偏振光法测定介质薄膜的厚度和折射律思路：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 用r 1p 、 r 1s 表示光线的p 分量、s 分量在界面1、2间的总反射系数, 用r 2p 、r 2s 表示光线的p 分、s 分量在界面2、3间的总反射系数.有 1011011cos cos cos cos ϕϕϕϕn n n n r p +-= 1101101cos cos cos cos ϕϕϕϕn n n n r s +-= 211221122cos cos cos cos ϕϕϕϕn n n n r p +-= 221122112cos cos cos cos ϕϕϕϕn n n n r s +-=膜上反射的两相邻光束的相位差11cos 22ϕλπδd n ⋅=定义该薄膜系统的总反射比为:δδ2212211)()(i p p i p p i p rp p e r r e r r E E R --++==δδ2212211)()(i s s i s s i s r s s er r e r r E E R --++== 定义),,,,,(11)exp()()(,)exp()](exp[])()(exp[)()()()(210221*********λϕψββββββψψββββββδδδδd n n n f er r e r r e r r e r r i tg E E E E tg i tg i E E E E i i E E E E E E E E R R i s s i s s i p p i p p ir i s p r s p i s p r sp i r i s p r s p i s p r s p is p r s p i s r s i p rp s p=++•++=∆-=---=∆⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=∆=-•⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=---•⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==---- ψ和∆是可以用椭偏仪测量的量，∆的物理意义是椭圆偏振光的P 波和S 波间的相位差经薄膜系统反射后发生的变化，tan ψ是椭圆偏振光相对振幅的衰减。

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。

“椭圆偏振法测定介质薄膜的厚度和折射率”实验
思考题
1、光有哪几种偏振态？
2、椭圆偏振光是如何形成的？
3、根据你学过的光学知识，试举出改变光偏振态的几种方法。

4、本实验用什么方法产生偏振光？试简要说明其原理。

5、试说明马吕斯定律在本实验中的应用。

6、薄膜的厚度和折射率的测量有多种方法，试举例。

7、椭偏法测量薄膜的厚度和折射率有何优点？
8、试简述椭偏法测量薄膜厚度和折射率的基本原理。

9、1/4波片的作用是什么？就本实验而言，1/4波片方位如何？
10、在椭偏法中，入射光是椭圆偏振光，出射光是如何变成线偏振光的？
11、用什么方法检验线偏振光？
12、用反射型椭偏仪测量薄膜厚度时，对样品的制备有什么要求？
13、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？
实验要求
1、针对上述思考题，认真预习，并按预习报告要求写好预习报告。

2、动手实验前，任课教师将针对上述思考题提问并给出平时成绩。

3、没有预习报告者，不能做实验。

4、实验成绩更加注重平时成绩（占70%左右），平时成绩由三部分组成：（1）预习报告及实验报告；
（2）实验态度（如考勤，是否认真等）；
（3）回答问题。

希望班干部将上述内容及要求提前发给每一个学生。

实验一椭偏仪测定薄膜厚度与折射率一. 实验目的1、掌握获得椭偏光的原理；2、掌握椭圆偏振仪的基本结构和使用方法，理解其测量薄膜厚度和折射率的原理；3、学会通过椭圆偏振仪对测量薄膜的厚度与折射率。

二. 实验仪器激光椭偏仪EM01-PV-III，薄膜样品；三. 实验原理当一束光以一定的入射角照射到薄膜介质样品上时，光要在多层介质膜的交界面处发生多次折射和反射，在薄膜的反射方向得到的光束的振幅和位相变化情况与膜的厚度和光学常数有关。

因而可以根据反射光的特性来确定薄膜的光学特性。

若入射光是椭圆偏振光(简称椭偏光)，只要测量反射光的偏振态之变化，就可以确定出薄膜的厚度和折射率，这就是椭圆偏振仪(简称椭偏仪)测量薄膜厚度和折射率的基本原理。

1、椭偏仪的基本光路图图1所示为椭偏仪的基本光路图。

单色自然光(其电矢量均匀地分布在垂直于光束传播方向的平面上)，由氦氖激光器提供，其经过起偏器过滤为线偏振光(电矢量在一定方向上振动)，再经过1/4波片的作用变为等幅的椭圆偏振光(电矢量端点的轨迹在垂直于光束传播方向的平面上为椭圆)。

该椭圆偏振光入射到样品上，适当调节起偏器的起偏轴方向(即调节起偏角，称为P角)，则可使经样品反射后的椭偏光变为线偏光，反射的线偏光方向可由检偏器检测出，称为检偏角A角；当检偏轴与线偏振光的振动方向相垂直时便构成消光状态，这时光电倍增管的光电流最小。

图1. 椭偏仪的基本光路图对于椭偏光，可将其电场分量分解为相互垂直的两个线偏光，这两个线偏光为：振动方向与入射平面平行的线偏光以P 表示(简称P 波或者P 分量)，垂直于入射面振动的线偏光以S 表示(简称S 波或者S 分量)，如图2所示。

图2. 椭偏光的两分量，p 光：平行于入射平面，s 光：垂直于入射平面2、测量原理下面简要分析用激光椭偏仪如何根据反射光相对入射光的振幅、位相变化从而测出薄膜厚度及折射率。

图3. 光线入射多层介质的反射情况入射光经薄膜上、下分界面折射时满足折射定律：332211sin sin sin ϕϕϕn n n ==根据光学相关公式，可求出薄膜总的反射系数P R 、s R 分别为：ββj p p j p p P p p e r r e r r E E R 2212211--+==入反psp sββj s s j s s s s s er r e r r E E R 2212211--+==入反 ϕλπβcos 2n d ⎪⎭⎫⎝⎛=入入入P i P P e E E β= 反反反P i P P eE E β=入入入S i S S e E E β= 反反反S i S S eE E β=式中p r 1、s r 1代表光从1n 介质入射到2n 介质的反射系数，p r 2、s r 2代表光从2n 介质入射到3n 介质的反射系数，β代表对应的位相差。

利用椭圆偏振方法测量透明介质薄膜厚度及折射率实验目的：1、掌握椭圆偏振仪的构造原理和光偏振方法测量透明介质的折射率；2、验证布鲁斯特定律，并学会测量特定介质的布鲁斯特角；3、学会使用椭圆偏振法测量介质薄膜的厚度实验原理一、实验原理图一1、仪器基本光路仪器光路图如图一所示。

一束自然光经起偏器1变成线偏振光。

再经1/4波片2变成椭圆偏振光入射在待测的薄膜面3上。

反射后光的偏振状态发生变化。

通过检测这种变化，便可推算出待测薄膜面的某些光学参量（如膜厚和折射率）。

光路中4为检偏器，5为接收装置。

2、椭偏方程与膜层折射率和厚度的测量图二所示为一光学均匀和各向同性的单层介质膜。

它有两个平行的界面。

通常，上部是折射率为n1的空气（或真空）。

中间是一层厚度为d折射率为n2的介质薄膜，均匀地附在折射率为n3的衬底上。

当一束光射到膜面上时，在界面1和界面2上形成多次反射和折射，并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。

界面1 界面2图 二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，我们可以推导出如下椭偏方程（推导过程略）S P i R R e /tan =⋅∆ψ()()()()δδδδ22222121212111i s si pp i s si pperr e r r e rr e r r ----++++=其中ψ和Δ称为椭偏参数并具有角度量值，是n 1，n 2，n 3，1ϕ（入射角），λ和d 的函数，由于n 1，n 3，λ，1ϕ为已知量，ψ和Δ由实验中测取，通过相关计算可得出薄膜折射率n 2和厚度d 。

需要说明的是，当n 1和n 2为实数时，厚度d 为一个周期数，其第一周期厚度d 0为：1221220sin 2ϕλn n d -=本实验只能计算d 0，若实际膜厚大于d 0，可用其他方法（如干涉片）确定所在的周期数j ，且总膜度为：D ＝（j －1）d 0+d实验仪器1、HG-WJZ 激光椭圆光偏振仪1台；2、He-Ne 激光器1台；3、薄膜样品1个；4、试样台1个；5、标准数据表1份实验内容及步骤1、仪器外型如图三所示：图三1、白屏目镜2、望远镜镜筒3、检偏器读数头4、光孔盘5、1/4波片读数盘6、起偏器读数头7、平行光管8、小孔光栏9、激光器10、黑色反光镜 11、试样台 12、HG-JJY1′分光计 13、氧化锆标准样板起偏器读数头（6），1/4波片读数盘（5）和检偏器读数头（3）的度盘分别刻有360等分的刻线，格值为1°,游标读数为0.1°。

实验:椭圆偏振法测量薄膜厚度和折射率随着现代科技的快速发展，薄膜材料的研究和应用受到越来越多的关注。

如何快速准确的测量薄膜材料的厚度和折射率等光学参数成为急需解决的问题之一。

椭圆偏振法是一种先进的测量薄膜纳米级厚度的方法，这种方法测量灵敏度高(可探测小于0.1nm的厚度变化)、精度较好(比干涉法高一到两个数量级)、对待测样品无损伤并且能同时测量薄膜的厚度和折射率。

因而，目前椭圆偏振法已经在光学、半导体、生物、医学等诸方面得到较为广泛的应用。

实验目的：1.了解椭圆偏振测量的基本原理，掌握利用椭偏仪测量薄膜厚度和折射率的基本方法。

2.学会组装椭圆偏振仪，熟悉椭圆偏振仪使用。

实验原理：椭圆偏振法测量的基本思路是，经由起偏器产生的线偏振光经取向一定的1/4波片后获得等幅椭圆偏振光，把它投射到待测样品表面时，只要起偏器取适当的透光方向，被待测样品表面反射出来的将是线偏振光．根据偏振光在反射前后的偏振状态变化，包括振幅和相位的变化，便可以确定样品表面的许多光学特性。

图1光在薄膜和衬底系统上的反射和折射图1所示为一光学均匀和各向同性的单层介质膜．它有两个平行的界面，通常，上部是折射率为n1的空气(或真空)．中间是一层厚度为d折射率为n2的介质薄膜，下层是折射率为n3的衬底，介质薄膜均匀地附在衬底上，当一束光射到膜面上时，在界面1和界面2上形成多次反射和折射，并且各反射光和折射光分别产生多光束干涉．其干涉结果反映了膜的光学特性。

设φ1表示光的入射角，φ2和φ3分别为在界面1和2上的折射角．根据折射定律有：n 1sin φ1=n 2sin φ2＝n 3sin φ3(1) 光波的电矢量可以分解成在入射面内振动的P 分量和垂直于入射面振动的s 分量。

用r 1p 、r 1s 表示光线的p 分量、s 分量在界面1的反射系数，用r 2p 、r 2s 表示光线的p 分量、s 分量在界面2的反射系数。

用E ip 、E is 表示入射光波电矢量的p 分量和s 分量，用E rp 、E rs 分别表示各束反射光电矢量的p 分量和s 分量的和。

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。

实验五 椭偏光法测薄膜的折射率和厚度一、引言椭圆偏振测量术简称椭偏术。

它是利用光的偏振性质，将一椭圆偏振光射到被测样品表面，观测反射光偏振状态的变化来推知样品的光学常数。

就其理论范畴来讲，它与十涉法一样，都是利用光的波动性，以经典物理学为基础。

这种测量方法的原理早在上个世纪就提出来了，距今已有近百年的历史。

由于光波通过偏振器件及样品反射时，光波偏振状态变化得异常灵敏，使得椭偏术的理论精度之高是干涉法不能比拟的，又由于这种测理是非破坏性的，因此它的优越性是显而易见的。

长期以来，人们一直力图将这种测量方法付诸应用。

早在40年代就有人提出实验装置，但由于计算上的困难一直得不到发展。

电子计算机及激光技术的广泛应用，为椭偏术的实际应用及迅猛发展创造了条件。

今天椭偏术已成为测量技术的一个重要的分支。

椭偏术有很多优点，主要是测量灵敏、精度高，测量范围从1oA 到几个微米而且是非接触测量。

国外生产的高精度自动椭偏仪能测量正在生长的薄膜小于l o A 的厚度变化，可检测百分之儿的单分子层厚度，深入到原子数量级。

因此既可将其应用于精密分析测量，也可以用于表面研究，用于自动监控及分析液、固分界面的变化。

目前椭偏术已应用到电子工业，光学工业，金属材料工业，化学工业，表面科学和生物医学等领域。

在我们的实验中，使用消光椭偏仪测量薄膜的折射率和厚度。

除了能学习到其测量方法外，其巧妙的设计思想也将给我们极人的启发和收益。

二、椭偏术原理1．椭偏术基本方程椭圆偏振光入射到透明介质薄膜时，光在两个分界面(空气与薄膜，薄膜与衬底)来同反射和折射，如图5．1所示。

总反射光由多光束干涉而成，光在两个分界面的P 波和S 波的反射系数分别为1122p s p s r r r r 、、、图 5—1由菲涅尔公式有：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。

它们满足折射定律： 总反射系数P R 、S R 分别为：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----⎧+=⎪+⎪⎨+⎪=⎪+⎩（5-1）其中1222222211442cos (sin )dn d n n ππδϕϕλλ==- 引入反射系数比，定义：/i P S tg e R R ψ∆= （5-2）这就是椭偏术基本方程。

椭偏仪测量薄膜厚度和折射率【引言】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】掌握椭偏仪的原理与操作方法；学会利用椭偏仪进行相关物理量的测量。

【实验仪器】椭偏仪、待测样品、电脑WJZ－II椭偏仪结构如图1所示：1、半导体激光器2、平行光管3、起偏器读数头（与6可换用）4、1/4波片读数头5、氧化锆标准样板6、检偏器读数头7、望远镜筒8、半反目镜9、光电探头10、信号线11、分光计12、数字式检流计图 1半导体激光器出厂时已调好，应满足以下二点：（1）激光光斑在距激光器约45cm处最小，如发现偏离较远，可将激光器从其座中取出，调节其前端的会聚透镜即可。

（2） 激光与平行光管共轴，如发现已破坏，请按第8页“光路调整”中所述方法进行调整，一旦调好，轻易不要将其破坏。

主要技术性能及规格1. 测量透明薄膜厚度范围0－300nm ，折射率1.30－2.49。

2. 起偏器、检偏器、1/4波片刻度范围0°-360°，游标读数0.1°。

3. 测量精度：±2nm 。

4. 入射角ψ1＝70°，K9玻璃折射率n ＝1.515。

5. 消光系数：0，空气折射率1。

6. *JGQ －250氦氖激光器波长λ＝632.8nm （用软件处理数据时，该波长值已 内嵌，无须输入）。

*半导体激光器波长λ＝635nm （用软件处理数据时，该波长值未内嵌，须输入，并需重新设臵消光系数“0”）7. 椭圆偏振仪的简介：随着科学和技术的快速发展，椭偏仪的光路调节和测量数据的处理越来越完善快捷。

实验椭圆偏振法测量薄膜厚度和折射率椭圆偏振法是一种常用的非破坏性薄膜厚度和折射率测量方法，它可以通过对样品反射和透射光的偏振状态进行测量，来获得样品的光学特性参数。

下面我们将介绍实验椭圆偏振法的测量步骤和注意事项。

1. 实验原理当一束偏振光碰到被测薄膜表面时，反射的光和透射的光都会发生偏振，其偏振状态可以通过椭圆偏振仪来测量。

通过测量样品反射和透射光的偏振椭圆参数，可以计算出薄膜厚度和折射率等光学参数。

2. 实验步骤(1) 样品制备准备一片光学平整的样品，涂上一层薄膜。

需要保证样品表面光洁度良好，无明显缺陷和表面过度粗糙。

(2) 调整椭圆偏振仪首先需要进行仪器校准，保证椭圆偏振仪能够正常工作。

然后，将样品放置在椭圆偏振仪的样品台上，调整偏振仪的角度、波长等参数，使样品的反射和透射光能够被完全接收和测量。

(3) 测量反射光打开椭圆偏振仪的偏振片，使入射光为线偏振光，然后测量样品反射光的偏振椭圆参数。

一般需要测量三个不同角度和波长条件下的参数，以保证数据的准确性。

(5) 数据处理通过测量数据，可以得到样品的反射和透射光的偏振椭圆参数。

根据计算公式，可以计算出样品的折射率和厚度等光学参数。

需要注意的是，测量过程中需保持仪器稳定，以免数据误差。

3. 注意事项(1) 样品表面应该光洁度良好，无缺陷和过度粗糙。

(2) 测量前需要进行椭圆偏振仪的校准，保证仪器能够正常工作。

(4) 测量过程中需要保持仪器稳定，以免数据误差。

(5) 需要注意心理学处理的方法和如何保留数据以及整合数据，以便之后的进一步研究和分析。

总结：实验椭圆偏振法是一种非常实用的分析方法，能够快速准确地测量薄膜的厚度和折射率等光学参数。

在实验过程中需要注意样品表面光洁度、仪器稳定等因素，以保证数据的准确性。

此外，数据分析也是实验的重要部分，需要采用合适的处理方法和工具，以得出正确的结论和结论。