椭圆偏振仪基本原理解析

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：下面以单层膜为例，描述椭偏仪的基本原理。椭偏仪的发展过程经历了消光法和光度法，两者的原理略有不同。根据这一原理检测反射线偏振光的方位，根据检偏器的方位得到值。图2-8消光法椭偏仪测试系统基本光路原理图图2-9光度式椭偏法测试装置光谱式椭偏法又称为椭圆偏振光谱法，使用有反射式补偿器或适当的膜层系统补偿器，也可以通过连续改变波长的方法来实现。

入射光入射进入任何介质时都存在反射和透射。如图2-6所示，其中透射率T=IT／I0，反射率R=IR／I0。椭圆偏振测量术是基于利用偏振光束在界面和薄膜上反射或透射时出现的偏振态的变化来研究两媒质间界面或薄膜中发生的现象及其特性的一种光学方法，椭偏技术基本上就是光束偏振态的测量。

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图2-6　入射光在介质中的反射和透射

众所周知，光波是电磁波，并且它的电矢量和磁矢量均与光的传播方向垂直，所以光波是横波，它具有偏振性。偏振光电矢量随时间作有规则的改变，电矢量的末端在垂直于光波传播方向的平面上形成规则的轨迹。根据形成轨迹的不同，偏振光又可分为线偏振光和椭圆偏振光等。椭圆偏振光是由两束频率相同、振动方向互相垂直且沿同一方向传播的线偏振光合成的。当一束线偏振光入射到薄膜表面时，光波的电矢量可以分解为在入射面内振动的P分量和垂直于入射面振动的S分量，它们在两种媒质的交界面上的反射率和反射相移各不相同。于是在反射光的P分量和S分量之间产生了附加的振幅差和相位差，从而导致反射光一般为椭圆偏振光。在入射介质环境及衬底的光学常数和入射角已知的情况下，这个反射的椭圆偏振光的参数仅由薄膜的光学常数决定。因此，根据偏振光在反射前后偏振状态的变化（主要是振幅和相位的变化），便可以确定样品表面或薄膜的许多光学特性。

下面以单层膜为例，描述椭偏仪的基本原理。设待测样品是均匀涂镀在衬底上的透明各项同性单层薄膜。如图2-7所示，当线偏振光入射到带有薄膜的样品上时，在空气与薄膜的交界面处，P分量和S分量的反射系数为

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在薄膜与衬底的交界面处P分量和S分量的反射系数为

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式中n1、n2和n3分别为空气、薄膜和衬底的折射率；φ1、φ2和φ3分别为空气到薄膜的入射角、光线在薄膜中的折射角、薄膜入射到衬底的折射角。它们之间存在的关系为

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图2-7　椭偏仪测得的P偏振和S偏振

从图2-7可以看出，入射光在两个界面上会有多次的反射和折射，计算这些光束的干涉便可以了解薄膜的一些性质。通过有一定厚度的薄膜时，相邻两相干光的相位差为

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式中d为薄膜的厚度，λ是光波波长。(https://www.chuimin.cn)

总反射光束是许多反射光束干涉的结果，根据多光束干涉公式总的反射系数为

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可用两者之间的比值来表示偏振态的变化

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式中tan（Ψ）是反射后的振幅比，Δ是相位差。在波长、入射角、衬底等参数一定的条件下，Ψ和Δ是膜厚d和折射率n2的函数。

由于椭圆偏振测量的是两项的比值（或差异）而非其绝对数值，因此这项技术所得的数据是相当正确且可再现的，其对散射及扰动等因素不太敏感，且不需要标准样品或参考样品。

椭偏仪的发展过程经历了消光法和光度法，两者的原理略有不同。

消光法又称为固定波长下传统补偿方式的消光椭偏法。使用单色光光源，通常为可见光范围内的激光，装置包括He-Ne激光器、起偏器、1／4波片以及在反射光路上的检偏器和光电倍增管，如图2-8所示。He-Ne激光器发出的单色光，经起偏器后变成线偏振光，线偏振光再经过与起偏器成45°或135°角的1／4波片后产生90°的相位差，变成椭圆偏振光。对于一定厚度的某种膜，S分量和P分量之间出现相位差，当入射光为椭圆偏振光时，可通过调整起偏器的方位角，使得经过薄膜反射以后的光为线偏振光。由此可见，由起偏器的方位角可确定偏振光的P分量和S分量的相位差Δ。经样品反射后由于S波与P波间不存在相位差，可合成特定方向的线偏振光。它的偏振方向由S分量和P分量的反射系数RS和RP确定。转动检偏器的方位，当检偏器的方位角与反射光线的偏振方向垂直时，光束不能通过而出现消光状态。根据这一原理检测反射线偏振光的方位，根据检偏器的方位得到值。

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图2-8　消光法椭偏仪测试系统基本光路原理图

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图2-9　光度式椭偏法测试装置

光谱式椭偏法又称为椭圆偏振光谱法，使用有反射式补偿器或适当的膜层系统补偿器，也可以通过连续改变波长的方法来实现。在近代光度式椭偏系统中，测量反射光强度随旋转检偏器的方位变化，通过傅立叶分析可以得到斯托克斯参量。光度式椭偏法的典型实验装置如图2-9所示，通过回转检偏器测量随检偏器方位变化而变化的反射光强度，从而得到样品的斯托克斯参量。

消光法实验的结果仅限于每次测量只能取得一组Ψ及Δ值，而光谱式椭偏法采用宽带谱光源，涵盖了红外光、可见光或紫外光的某一段光谱区域。借此，复折射率或介电性质可在相关的光谱范围取得，并依此得到更多的基本物理性质。

椭圆偏振仪基本原理解析

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