一种新型快速椭圆偏振光测量系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学电子器件
，具体涉及一种新型快速椭圆偏振光测量系统。
技术介绍
椭圆偏振光测量仪是一种光学测量仪器，它是获取各种信息功能材料的光学性质、光学常数和薄膜厚度的最有效和可靠的方法之一。如以高性能的奔腾芯片的制备工艺为例，在其完整的工艺流程中，要经过40多次的椭圆偏振光检测。光通讯技术的发展，依赖于高性能光波导、光开关、光放大器件、窄带滤波片等一系列光学元件的研究和开发，在光学元件的研发过程中，需要对各种光学材料的各种光学常数和光学特性进行快速、高精度测量和分析，另外对一些光学薄膜器件，需要在光学薄膜生长过程中，对各膜层的光学常数和膜厚进行精确测量和控制，也十分需要研究和发展快速、精确的材料光学性能的先进测试方法和手段。椭圆偏振技术能高灵敏获得各种信息功能材料的光学性质和光学常数，进而能对材料在不同光谱段所具有的特性进行分析，理解其物理本质，从而使材料获得重要应用。目前已发展了多种椭偏测量模式，如消光式和光度式等。消光式椭偏系统是通过调节位相延迟器、起偏器和检偏器等光学元件的方位角，使系统的输出光强为零，在此条件下读出各光学元件的方位角，就可计算求得椭偏参数，但这种方法的检测速度较慢。光度式椭偏系统采用了对光强随起偏或检偏方位角变化作傅立叶分析的方法，并通过计算机对测量过程进行自动控制，可比消光式椭偏法更快速和准确地测得椭偏参数。但由于普通光度式椭偏系统采用偏振器扫描方式来获取椭偏参数，虽然对普通光学参数的测试已经足够快速，但若将其应用于某些特定场合，如微电子工艺或高真空薄膜生长系统的快速实时光学监控，就有一定的困难，应用将受到限制。为此，本专利技术将采用组合检偏器和2维CCD面阵列探测器结合的椭圆偏振光检测方法，快速获取材料的光学参数。。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，在现有结构模式基础上，对其缺点进行改进，提出一种在测量过程中(不包括测量前的光路调节)无需任何机械转动、可快速进行椭圆偏振光测量的系统。本专利技术提出的椭圆偏振光测量系统具体结构如图一所示，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，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，并结果输出计算结果。本专利技术的测量系统，由光源发出的单色光经过固定起偏器变成单色线偏振光，该固定起偏器的初始方位角与入射面成α角。一般使α＝45°。光线经过固定检偏器后以一定入射角Φ照射到待测样品，经样品反射后，反射光一般为椭圆偏振光。反射光通过组合检偏器，该组合检偏器内装有若干个微型子检偏器，各子检偏器的方位角具有不同取向。反射光经组合检偏器后，出射光具有不同偏振态，各偏振态对应的光强被二维CCD探测器不同区域探测到。由CCD探测器探测到的各偏振态光强变成电信号后，经过AD转换由计算机进行信号分析和数据处理，最后得到材料的各种光学常数。本专利技术中，待测样品的光学参数的确定方法如下。将起偏器固定于合适的方位角，如令α＝45°。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。经过计算可得，I0＝η(1+ρ02)+IB(2a)I1＝η(1-ρ02) (2b)I2＝2ηρ0cosΔ (2c)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。(2)式中，ρ0、Δ为两个椭偏参数，定义如下设光线经过样品反射后，s、p偏振光的复反射率分别为r~s=rseiΔ1,r~p=rpeiΔ2.]]>其中rs、rp分别是s、p偏振光复反射率的模，Δ1、Δ2为s、p偏振态的反射光相对入射光的相位差，则ρ0、Δ两个参数分别定义为，ρ0＝rp/rs，Δ＝Δ2-Δ1。根据(2)式中的三个系数可计算出椭偏参数ρ0和cosΔ，ρ0=12----(3)]]> cosΔ=I212----(4)]]>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I0=1nΣi=1n(Ii-Ibi)----(5a)]]>I1=2nΣi=1nIicos(2Ai)----(5b)]]>I2=2nΣi=1nIisin(2Ai)----(5c)]]>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=ϵa----(7)]]>其中Φ为光的入射角，εa为环境媒质的介电函数，若环境为空气，则εa＝1。复介电函数与其它光学常数，如复折射率N、吸收系数α和反射率R等的关系为ϵ=N2,N=n+ik,ϵ1=n2-k2,ϵ2=2nk,α=4πkλ,R=(n-1)2+k2(n+1)2+k2----(8)]]>(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)式计算出样品的其它光学常数，如复折射率N、吸收系数α和反射率R等。上述的计算式均在测量系统的软件部分----计算机分析计算部分实现。附图说明图1为本专利技术测量系统结构示意图。图2为本专利技术测量系统一种结构图示。图3为本专利技术测量系统中一种组合检偏器结构图示。图中标号1为激光光源，2为激光扩束镜头组，3为固定起偏器，4为样品架，5为样品架转台，6为反射光臂转台，7为组合检偏器，8为CCD探测器，9为反射光臂转台马达驱动器，10为样品转台马达驱动器，11为计算机数据采集与分析处理系统，12为输出结果，13为入射光臂，14为反射光臂。具体实施例方式本专利技术设计的新型快速椭圆偏振光测量系统已经在图一中显示，这里给出一个特例。在本例中，光源采用激光光源。由激光光源出射的光经扩束后，入射到起偏器3，然后再入射到样品上，被样品反射到组合检偏器7，由组合检偏器7出射的光，分别被二维CCD面阵探测器8的不同区域接收。组合检偏器7由m个微型子检偏器组成。m一般可取5-20个。各子检偏器的方位角θ1、θ2……θm，在0～180°内大致均匀分布。具体做法组合检偏器是在一个硬质材料中加工m个数目(如十多个)的小孔(如方孔)，方孔的取向各异，方向角在0～180°范围内大致均匀分布，将各微型子检偏器加工成与本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郑玉祥，陈良尧，张荣君，李晶，王松有，杨月梅，孙斌，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]