一种新型快速椭圆偏振光测量系统

摘要

本发明是一种新型快速椭圆偏振光测量系统。在传统光度式椭圆偏振光测量仪结构中，需采用机械转动方式控制起偏器或检偏器来进行光偏振态的方位角扫描。由于机械转动的速度有限，大大限制了椭圆偏振光测量的检测速度。本发明采用组合检偏器和二维CCD阵列探测器结构配置的椭圆偏振测试系统来快速获取材料的光学参数。由于采用组合偏振器代替传统的旋转偏振器来获得傅立叶分析所要求的采样点数目，并采用二维CCD阵列探测器来并行探测各偏振态的光信号。在测试过程中，系统无须转动任何机械部件，因此可以使各类材料光学参数的测量速度大幅度提高。

主权项

1.一种椭圆偏振光测量系统，其特征在于由光源、起偏器、样品架、组合检偏器、二维CCD探测器和计算机控制与分析系统依次经光路连接组成；其中，光源与样品架之间的起偏器的方位角固定，样品架内有空腔，并与真空泵连接，使样品经负压吸附在样品架上；样品架与二维CCD探测器之间的组合检偏器由m个微型子检偏器组成，m取5，6或7，这m个微型子检偏器的方位角在0-π之间大致均匀分布；计算机控制和分析系统由一台计算机和相关控制和分析计算软件组成，测量前用于光路调节以及入射角的选择，测量时对CCD探测器的电信号进行数据采集，对待测材料的各种光学参数进行计算，并输出计算结果；其中：所述计算机分析软件包括下述待测样品光学参数计算式：从检偏器出射的光强随检偏器方位角变化关系为I＝I0+I1cos2A+I2sin2A (1)其中I0是直流分量，I1、I2为交流分量，A为检偏器的方位角；I0＝η(1+ρ0 2)+IB (2a)I1＝η(1-ρ0 2) (2b)I2＝2ηρ0cosΔ (2c)其中，η为与光强有关的常数，直流分量I0中的IB是本底信号，来自于探测器的暗电流；ρ0、Δ为两个椭偏参数，定义如下：${\rho }_0={\left[\frac{(I_0-I_1)}{(I_0+I_1)}\right]}^{\frac{1}{2}}---\left(3\right)$ $\cos \Delta =\frac{I_2}{{[{I_0}^2-{I_1}^2]}^{\frac{1}{2}}}---\left(4\right)$ 将(1)式中的光强I对检偏器方位角A作数值傅立叶变换，变换式为：$I_0=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}(I_i-I_{\mathrm{bi}})---\left(5a\right)$ $I_1=\frac{2}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{I}_i\cos \left({2A}_i\right)---\left(5b\right)$ $I_2=\frac{2}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{I}_i\sin \left({2A}_i\right)---\left(5c\right)$ 式中Ii是检偏器方位角为Ai时CCD探测器所接收到的光强信号，λ是相应的波长，n是检偏器组中子检偏器数目的两倍，一个周期内按Ai值作数据采集的次数；从(3)、(4)式中得到椭偏参数ρ0和Δ后，可得到参数ρ＝ρ0eiΔ (6)材料的复介电函数ε＝ε1+iε2与参量ρ之间满足以下关系：$ϵ={ϵ}_a[{\sin }^2\phi +{\sin }^2\phi {\tan }^2\phi {\left(\frac{1-\rho }{1+\rho }\right)}^2]---\left(7\right)$ 其中Ф为光的入射角，εa为环境媒质的介电函数，取εa＝1；复介电函数与其它光学常数：复折射率N、吸收系数α和反射率R的关系为：ε＝N2，N＝n+ik，ε1＝n2-k2，ε2＝2nk，$\alpha =\frac{4\mathrm{\pi k}}{\lambda },$ $R=\frac{{(n-1)}^2+k^2}{{(n+1)}^2+k^2}---\left(8\right)$ (8)式中，N＝n+ik为样品材料的复折射率，其实部n为折射率，虚部k为消光系数；因此一旦测到椭偏参数ρ0和Δ后，可由(7)式得到材料的复介电函数，进而由(8)式计算出样品的光学常数：复折射率N、吸收系数α和反射率R。