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1/12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。2001202072001
实验15 椭圆偏振仪测量薄膜厚度和折射率
在近代科学技术的许多部门中对各种薄膜的研究和应用日益广泛．因此，更加精确和迅速地测定一给定薄膜的光学参数已变得更加迫切和重要．在实际工作中虽然可以利用各种传统的方法测定光学参数（如布儒斯特角法测介质膜的折射率、干涉法测膜厚等），但椭圆偏振法（简称椭偏法）具有独特的优点，是一种较灵敏（可探测生长中的薄膜小于0.1nm的厚度变化）、精度较高（比一般的干涉法高一至二个数量级）、并且是非破坏性测量．是一种先进的测量薄膜纳米级厚度的方法．它能同时测定膜的厚度和折射率（以及吸收系数）．因而，目前椭圆偏振法测量已在光学、半导体、生物、医学等诸方面得到较为广泛的应用．这个方法的原理几十年前就已被提出，但由于计算过程太复杂，一般很难直接从测量值求得方程的解析解．直到广泛应用计算机以后，才使该方法具有了新的活力．目前，该方法的应用仍处在不断的发展中．
实 验目 的
(1) (1) 了解椭圆偏振法测量薄膜参数的基本原理；
(2) (2) 初步掌握椭圆偏振仪的使用方法，并对薄膜厚度和折射率进行测量．
实 验原 理
椭偏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１/４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．
1 椭偏方程与薄膜折射率和厚度的测量
图15.1
图15.1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．
光学实验中如何利用干涉原理测量薄膜厚度
在光学实验中，测量薄膜厚度是一项常见且重要的任务。利用干涉原理来实现这一测量具有高精度、非接触等优点。接下来，让我们逐步了解这一精妙的测量方法。
干涉现象是光的波动性的一种重要表现。当两束或多束光相遇时，它们会相互叠加，从而产生明暗相间的条纹，这就是干涉条纹。而在测量薄膜厚度的实验中，我们常常利用的是等厚干涉原理。
等厚干涉中，一个典型的例子就是劈尖干涉。想象一下，有一块平板玻璃，在其一端垫上一小薄片，这样就形成了一个劈尖状的空气薄层。当一束平行光垂直入射到这个劈尖上时，在劈尖的上、下表面反射的两束光会发生干涉。
假设入射光的波长为λ，薄膜的折射率为 n。在劈尖干涉中，相邻两条亮条纹（或暗条纹）之间对应的薄膜厚度差为λ/（2n）。我们通过测量干涉条纹的间距以及已知的波长和薄膜折射率，就能够计算出薄膜的厚度。
为了更准确地测量薄膜厚度，实验中需要注意一些关键因素。首先是光源的选择。理想的光源应该具有单色性好、亮度高且稳定的特点。常用的有激光光源，比如氦氖激光器发出的红光，其波长稳定且单色性极佳。 其次，实验装置的搭建要精确。例如，要确保入射光垂直照射到薄膜表面，这样可以简化计算和提高测量精度。同时，观测干涉条纹的设备也需要具备足够的分辨率，以便清晰地分辨出条纹的细节。
在实际操作中，我们可以使用显微镜来观察干涉条纹。通过调节显微镜的焦距和位置，找到清晰的干涉条纹图像。然后，使用测量工具（如目镜测微尺）来测量条纹的间距。
还有一种常见的干涉测量薄膜厚度的方法是牛顿环。将一块曲率半径较大的平凸透镜放在一块平面玻璃上，在两者之间就会形成一个空气薄膜。当平行光垂直入射时，同样会产生干涉现象，形成明暗相间的同心圆环，即牛顿环。
对于牛顿环，第 m 个暗环的半径 r 与凸透镜的曲率半径 R、入射光波长λ以及薄膜厚度 d 之间存在如下关系：r² ＝ mλR m(m 1/2)λ² ／ 2 。通过测量牛顿环的半径，并已知波长和凸透镜的曲率半径，就可以计算出薄膜的厚度。
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 （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，并需重新设置消光系数“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。这里介绍常用的手动型椭圆偏振测厚仪（TP-77型）和自动型椭圆偏振测厚仪(SGC-2型)。手动型椭圆偏振仪采用632.8nm波长的氦氖激光器作为单色光源，入射角和反射角均可在90度内自由调节，样品台可绕纵轴转动，其高度和水平可以调节，样平台可绕纵轴转动，其高度和水平可以调节。检偏器旁边有一个观察窗，窗下的旋钮用以改变经检偏器出射的光或者射向光电倍增管。为了保护光电倍增管，该旋钮的位置应该经常放在观察窗位置。SGC-2型自动椭偏仪，其自动化程度高，光路调试完毕后只要装上待测样品，点击计算机上的相应菜单，输入相应的参数，即可自动完成起偏器，检偏器的调节，找出消光点，并直接给出待测样品的d和2n的值。该仪器也有会出），（~），（2nd曲线和），（~），（2nd表格的功能，测出和值后，可在曲线上或表中查出对应的最佳的2n和d值。仪器还适用于测量厚度超过一个周期以上的薄膜样品。测量方法是利用“双角度”功能，设置好二次测量的角度，点击菜单，就可以得出样品的周期数以及样品的总厚度值。对于厚度超过一个周期的薄膜，相应的光程差引起的相位差超过了一个周期360度，这时所得的数据应该加上对应的周期数，在计算d的值。
