基于斯托克斯參數(shù)測(cè)量的快速橢偏測(cè)厚系統(tǒng)的研制.pdf

1、偏振是光波的一個(gè)重要性質(zhì)，在材料科學(xué)、光學(xué)、光工程學(xué)、通訊學(xué)和天文學(xué)等領(lǐng)域中，光偏振的測(cè)量具有十分重要的意義。斯托克斯參數(shù)（Stokes Parameters）可全面描述光束的偏振態(tài)和光強(qiáng)度，因此通過(guò)對(duì)斯托克斯參數(shù)的測(cè)量，即可確定光束的偏振態(tài)，進(jìn)而確定樣品的橢偏參數(shù)（ψ，△）和折射率與厚度（n，d）等。目前，新型功能薄膜材料的研究十分活躍，薄膜樣品的厚度、折射率等參數(shù)的快速測(cè)量，以及薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中的膜厚與折射率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是高質(zhì)量納米級(jí)

2、薄膜生產(chǎn)和研究中的關(guān)鍵技術(shù)。
　　 在過(guò)去的二十多年里，國(guó)外研究人員在偏振態(tài)測(cè)量這一領(lǐng)域內(nèi)，在理論和應(yīng)用方面做了大量工作，取得很大進(jìn)展。僅是基于斯托克斯參數(shù)測(cè)量的方法就提出了十多種甚至更多，并且已將部分裝置應(yīng)用于實(shí)際領(lǐng)域。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)它的研究相對(duì)較少。國(guó)外的一些廠商，如美國(guó)的Gaertnerscientific公司，已經(jīng)開始推出商品化的基于斯托克斯參數(shù)測(cè)量原理的橢偏測(cè)厚儀應(yīng)用于薄膜厚度和折射率測(cè)量。但我國(guó)國(guó)內(nèi)還未見有基于斯托克斯

3、參數(shù)測(cè)量原理的橢偏測(cè)厚儀研制的報(bào)道。
　　 目前國(guó)內(nèi)外橢偏測(cè)厚儀主要采用消光法或光度法的原理。這兩種方法均要偏振器件繞光軸轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)光束進(jìn)行消光或光度調(diào)制，從而獲得光束的偏振態(tài)。雖然技術(shù)水平不斷提高，但基于這兩各方法的測(cè)厚儀測(cè)量速度慢，有轉(zhuǎn)角誤差，轉(zhuǎn)動(dòng)控制精度要求高。因此，對(duì)于諸如對(duì)功能薄膜生長(zhǎng)時(shí)厚度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，光束偏振態(tài)的快速變化或使用脈沖激光器作光源的情況，用傳統(tǒng)的測(cè)量方式則無(wú)法快速測(cè)量，不能適應(yīng)測(cè)量的需求。因此，研究能快速獲

4、得偏振光偏振態(tài)的新型測(cè)量?jī)x器并用于橢偏測(cè)厚技術(shù)中具有現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。
　　 基于此，本課題成功研制新型的基于斯托克斯參數(shù)測(cè)量的快速橢偏測(cè)厚儀。斯托克斯參數(shù)的測(cè)量按原理大體可分為偏光調(diào)制法和采用波前分割或振幅分割的方法。在此，引用分振幅法將經(jīng)過(guò)樣品反射的入射光經(jīng)過(guò)分束分成四道光束，通過(guò)多信號(hào)通道同時(shí)探測(cè)各通道光強(qiáng)值，可快速地測(cè)量出描述待測(cè)光偏振態(tài)的全部斯托克斯參數(shù)。再通過(guò)對(duì)入射光斯托克斯參數(shù)前后變化的計(jì)算，可得到樣品的折射率和

5、厚度等相關(guān)信息。它具有測(cè)量速度快、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝簡(jiǎn)單和操作方便等優(yōu)點(diǎn)，可用于在線實(shí)時(shí)研究材料的物理化學(xué)性質(zhì)及其變化。經(jīng)測(cè)量，該儀器達(dá)到如下性能指標(biāo)：四個(gè)斯托克斯參數(shù)測(cè)量值與理論值的最大絕對(duì)偏差<0.040；平均偏差<0.022；實(shí)驗(yàn)相對(duì)誤差<0.01；單次光強(qiáng)測(cè)量時(shí)間≥75ms。
　　 針對(duì)本課題開展的主要工作，本論文主要從以下幾個(gè)方面行了論述：第一章主要介紹斯托克斯參數(shù)測(cè)量及橢偏測(cè)厚儀的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，指出本課題所具有的重要意

6、義和應(yīng)用，并簡(jiǎn)要概括自己的工作重點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)。在第二章中，全面論述了偏振光及偏振態(tài)的描述方法及橢圓偏振測(cè)厚原理和方法。并突出強(qiáng)調(diào)斯托克斯矢量表示法的普遍性和重要性。第三章是本文重點(diǎn)，系統(tǒng)論證了基于斯托克斯參數(shù)測(cè)量的橢偏測(cè)厚儀的相關(guān)理論及原理推導(dǎo)，并重新設(shè)計(jì)了光路，然后從系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)、硬件選型及裝配、軟件功能及設(shè)計(jì)等幾方面論述了儀器的設(shè)計(jì)與研制。第四章中，介紹了對(duì)系統(tǒng)幾個(gè)重要性能進(jìn)行的測(cè)試，并重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)定標(biāo)的相關(guān)理論、方法和過(guò)程。第五章