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用椭圆偏振仪测量薄膜的厚度和折射率一 实验目的1、了解椭圆偏振法的基本原理;2、学会用椭圆偏振法测量纳米级薄膜的厚度和折射率.二 实验仪器TPY-1型椭圆偏振测厚仪,计算机三 实验原理：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。
椭圆偏振法测量的基本思路是，起偏器产生的线偏振光经取向一定的14波片后成为特殊的椭圆偏振光，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。
设待测样品是均匀涂镀在衬底上的厚度为d 、折射率为n 的透明各向同性的膜层。
光的电矢量分解为两个分量，即在入射面内的p 分量及垂直于入射面的s 分量。
入射光在薄膜两个界面上会有多次的反射和折射，，总反射光束将是许多反射光束干涉的结果。
利用多光束干涉的理论，得p 分量和s 分量的总反射系数12121212exp(2)exp(2), ,1exp(2)1exp(2)p p s s p s p p s s r r i r r i R R r r i r r i δδδδ+-+-==+-+-（1） 其中242cos dn πδϕλ=（2）是相邻两反射光束之间的相位差，而λ为光在真空中的波长。
光束在反射前后的偏振状态的变化可以用总反射系数比p s R R 来表征。
在椭圆偏振法中，用椭偏参量ψ和∆；来描述反射系数比，其定义为：tan exp()p s i R R ψ∆= （3） 在入射波波长，入射角，环境介质和衬底的折射率确定的条件下，ψ和∆只是薄膜厚度和折射率的函数，只要测量出ψ和∆，原则上应能解出d 和n 。
然而，从上述各式中却无法解析出(,)d =ψ∆和(,)n =ψ∆的具体形式。
因此，只能先按以上各式用电子计算机计算出在入射波波长，入射角，环境介质和衬底的折射率一定的条件下(,)~(,)d n ψ∆的关系图表，待测出某一薄膜的ψ和∆后再从图表上查出相应的d 和n 的值。
椭圆偏振仪测量薄膜厚度和折射率原理：He-Ne 激光（6328Å）经起偏器产生线偏振光，再经1/4波片转化为等幅椭圆偏振光，以一定入射角φ入射到样品的表面。
调节起偏角P ，可以使反射光变成线偏振光。
此时，可以用检偏器通过消光判断出来。
反射系数比参数Ψ和Δ可以通过此时的起偏角P 和检偏角A 求出来。
而Ψ和Δ只与样品的厚度d 入射角φ、介质折射率n 1（空气）n 2（薄膜）n 3（衬底）有关，与起偏角P 无关。
因此，若已知n 1，n 3，φ，就可以通过Ψ和Δ计算出d 和n 2。
通常，已经通过计算制定好了Ψ，Δ～n ，d 的图表或者数表。
测量步骤：1．将入社筒和反射筒置于70度。
2．打开激光器电源。
将样品放置在样品台上，调节样品台是激光反射进反射筒，在观察窗看到明亮的激光。
3．将1/4波片调至45度并锁定。
4．反复交替调节起偏角P 和检偏角A ，直至消光。
读出消光点的起偏角P 1和检偏角A 1。
5．调至另外一组消光点P 2，A 2可以通过关系式 221π≈-P P 21A A -≈ 很快找到另外一组消光点。
6．计算Ψ和Δ11227．查Ψ，Δ～n ，d 的图表或者数表，求出n 和d 的值。
椭圆偏振仪的校准1．对准光轴将入射筒和反射筒置于0度，调节镜筒的方向调节螺丝使激光入射到反射筒的中央。
2．光学镜片的校准（1）将入射筒和反射筒置于0度，1/4波片和起偏器刻度盘至于0度并锁死，检偏器刻度盘置于±90度并锁死，卸下1/4波片。
（2）松开镜片固定螺钉，将起偏器镜片标志线（偏振方向）旋至竖直方向；调节检偏器波片至消光（检偏器标志线大约在水平方向）（3）装上1/4波片，调节1/4波片方向（标志线大约在竖直方向）至消光。
（4）固定所有镜片的固定螺钉。
（5）用标准样品试测厚度，检验校准的正确性。
（6）校准的关键问题：保证起偏器出来的线偏振光的偏振方向是竖直的，这样才能保证1/4波片出来的是等幅椭圆偏振光。
椭圆偏振仪的原理及其应用1. 椭圆偏振仪的原理椭圆偏振仪是一种用于测量光的偏振特性的仪器。
它主要基于两个原理：斯托克斯矩阵和椭圆参数。
1.1 斯托克斯矩阵斯托克斯矩阵是描述光偏振状态的一种数学表示方法。
它由四个参数组成：S0、S1、S2和S3。
其中，S0表示光的总强度，S1和S2表示偏振态的强度和方向，S3表示偏振轴的旋转。
1.2 椭圆参数椭圆参数是另一种描述光偏振状态的方法。
它由两个参数组成：椭圆的短轴和长轴。
2. 椭圆偏振仪的应用椭圆偏振仪在许多领域中都有广泛的应用，下面列举了其中一些主要的应用。
2.1 光学材料表征椭圆偏振仪可以用来测量光学材料的偏振特性。
通过测量材料的斯托克斯矩阵或椭圆参数，我们可以了解材料的光学性质，例如透射率、反射率和吸收率等。
这对于研究光学材料的性能和开发新的光学器件非常重要。
2.2 光纤传感器椭圆偏振仪可以作为光纤传感器的检测器。
通过测量光纤中传输的偏振光的斯托克斯矩阵或椭圆参数的变化，我们可以监测到光纤周围环境的特性。
这可以用于温度、压力、湿度等参数的监测，也可以用于检测光纤中的损伤和故障。
2.3 生物医学领域椭圆偏振仪在生物医学领域中也有广泛的应用。
例如，它可以用于测量生物组织的偏振特性，从而帮助诊断和治疗一些疾病。
此外，椭圆偏振仪还可以用于检测药物的成分和浓度，以及研究细胞和组织的结构和功能。
2.4 光通信和光储存椭圆偏振仪可以用于光通信和光储存领域。
通过测量光纤或光器件中传输的偏振光的斯托克斯矩阵或椭圆参数，我们可以优化光信号的传输和存储效率。
这对于提高光通信和光储存系统的性能非常重要。
2.5 光谱分析椭圆偏振仪还可以用于光谱分析。
通过测量光的偏振特性，我们可以了解物质的结构和成分。
这对于化学分析、材料研究和环境监测等应用非常有意义。
3. 总结椭圆偏振仪是一种重要的光学仪器，它可以测量光的偏振特性，并应用于各种领域。
通过了解椭圆偏振仪的原理和应用，我们可以更好地理解光的性质，提高光学仪器的性能，以及开发出更多的应用。
椭圆偏振光谱仪原理
椭圆偏振光谱仪的原理基于波动光学的理论。
光是一种电磁波，可以沿着不同的方向振动。
当光的振动方向固定时，称其为线偏振光。
而当光的振动方向随时间变化时，称其为圆偏振光。
椭圆偏振光是介于线偏振光和圆偏振光之间的一种特殊光。
椭圆偏振光谱仪通过将待测光与已知偏振状态的光进
行干涉，然后测量干涉光的强度和相位来确定待测光的偏振状态。
具体而言，椭圆偏振光谱仪由一个偏振器、一个样品、一个波片和一个偏振分束器组成。
待测光通过偏振器，该偏振器可以将光的振动方向限制在一个特定的方向上。
然后，通过调整波片的角度，可以改变干涉光的相对相位。
在这个过程中，椭圆偏振光谱仪会同时测量入射光和反射光的干涉光强度和相位。
接下来，椭圆偏振光谱仪将测量到的干涉光强度和相位与已知偏振状态下的理论值进行比较。
通过最小二乘法等数学方法，可以确定待测光的椭圆偏振参数，如椭圆偏振振幅、椭圆偏振相位和偏振椭圆的长短轴。
通过测量椭圆偏振参数，可以确定光的偏振状态。
例如，当椭圆偏振振幅为0时，表示光为线偏振光；当椭圆偏振振幅为1时，表示光为圆偏振光；而当椭圆偏振振幅介于0和1之间时，表示光为椭圆
偏振光。
