椭偏仪的原理|结构

　　椭偏仪是利用椭圆偏振术对透明薄膜进行无损测量的一种仪器，它是利用偏振光在薄膜上下表面的反射，通过菲涅耳公式得到光学参数和偏振态之间的关系来确定光学薄膜折射率和厚度。

椭偏仪的工作原理

　　椭偏仪是一种偏振态测试设备。假设所用的探测光为1**%的偏振光(线偏振、圆偏振或椭圆偏振光)。椭偏仪从光源开始到探测器，其间可以配置各种光学元件，根据光学元件配置的不同可以有三种型式的椭偏仪结构：零偏振型、偏振调制型和回转元件型等。

　　“零”偏振型椭偏仪：

　　零偏振型椭偏仪一般结构如下所示：光源→起偏器→补偿器→样品→检偏器→探测器

　　为了进行测试，起偏器、补偿器和检偏器调整到“零”(消化)。通常手动完成，椭偏仪测量过程缓慢且难以作分光测量，但是比较精确，系统误差较小。

　　偏振调制型椭偏仪：

　　偏振调制型椭偏仪一般结构如下所示：光源→起偏器→调制器→样品→检偏器→探测器

　　调制器是反映时间与延滞的关系，典型的可以达到50kHz的高速。高速调制理论上能达到很快的数据采集(每点10ms)。为了达到满意的信噪比，要求高能光源(如激光)或较长的积分时间。信噪比是与测量时收集到多少光子有关。为了实现分光测量必须对每一波长调整调制幅度。由于调制器对环境温度有很强的敏感性，因而椭偏仪标定的稳定性较差。

　　回转元件型椭偏仪：

　　回转元件型椭偏仪是总有一个偏振元件以10~60Hz的速度回转。上述两种椭偏仪结构在起偏器后包括有一个延滞元件。如果只用二个偏振元件(起偏器和检偏器)，其优点是光学性能近似于理想，在宽光谱区域接近消色(1：1000000)，而且比较容易安装和调整;缺点则是当△接近0°或180°时灵敏度较低(当然偏振调制型在ψ接近45°时也会损失灵敏度)。回转元件型基本上克服了上述缺点。回转型椭偏仪加上自动位相补偿器在0~36°范围内准确地测量△。

　　回转元件型椭偏仪可以有两种结构方案：

　　①回转起偏器椭偏仪(RPE)，其一般结构如下所示：光源→连续回转起偏器→样品→检偏器→探测器

　　②回转检偏器椭偏仪(RAE)，其一般结构如下所示：光源→起偏器→样品→连续回转检偏器→探测器

　　在回转起偏器椭偏仪系统中，单色仪置于起偏器之后，可以YZ环境光的影响，但要修正单色仪对偏振态的影响而光源直接位于连续旋转的起偏器之前，光源中残余的偏振会造成数据误差，旋转起偏器还可能造成光束在样品上移动。

　　在回转检偏器椭偏仪系统中，固定的起偏器可以消除由于光源残余偏振引起的任何误差，探测器的残余偏振通常是极小的，因而不会影响测量精度，但是单色仪必须置于起偏器之前，这会允许环境光到达探测器中，因而要求系统在暗室中工作。

椭偏仪的结构

　　椭偏仪常用的光学元件有下列几种：

　　1、光源

　　椭偏仪的理想光源是强度稳定，从紫外到近红外整个波长范围内输出近似为常数，目前大多选用Xe或Hg-Xe灯是比较合理的，但是它在UV(低于260nm)强度较弱，而在880~1010nm具有很强的原子辐射谱线。也有采用激光作为光源，进行单色椭偏测量。

　　2、偏振器件

　　偏振器是椭偏仪重要的光学元件，理想的偏振器只能传递在一个方向偏振的光，而不能传递任何沿着它垂直方向偏振的光。偏振器能将任何偏振态的光变成线偏振光并定向于传输轴。格兰泰勒(方解石)偏振器射出光的偏振度达到百万分之一，波长范围为230~2200nm。

　　3、补偿器

　　亦是延滞器，它可以精确地作90°(或1/4波长)的延滞。补偿器可以由反折射薄片或抛光的斜方形晶体构成。该元件的精确延滞与光学调整和所用光的波长有关。有的椭偏测量系统利用能将线偏振光变成园偏振光的补偿器。特殊情况下，补偿器能简单地在两垂直的线偏振器之间引入位相延滞。旋转补偿器与旋转偏振器相结合能将非偏振光变成椭圆偏振光。

　　4、光束调制器

　　通常有几种，一种是机械调制器(斩波器)，可以实现光束强度简谐地调制为了随后的同步探测;另一种是电光或磁光调制器，用于光束强度(电光)或偏振态(磁光)的简谐扰动为了随后的同步探测，这种调制器一般难以标定和维护，对温度敏感并且相当昂贵。现在还有一种光弹型调制器用于椭偏仪中。

　　5、探测器

　　通常用于椭偏仪的探测器有三种，即光电倍增管、硅光电池和InGaAs，前者对偏振态敏感，后两种则不敏感，并且在很宽范围内对光束强度具有线性响应。此外，也有采用硅光二极管列阵作为探测器的。