偏振光谱的测量方法、系统及其应用技术方案

本公开实施例提供的偏振光谱的测量方法、系统及其应用，所述测量方法包括：将均匀的待测光源入射至光学超表面阵列，获取透过光学超表面阵列的光的强度，光学超表面阵列由若干超表面单元组成，不同的超表面单元的光谱透过率响应具有偏振各向异性和多样性；根据透过光学超表面阵列的光的强度和光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应重构待测光源的偏振光谱信息，以此作为测量结果。所述测量系统包括：光学超表面阵列；探测器；重构模块。所述应用为对薄膜厚度和折射率的测量。本公开利用具有偏振和光谱响应的光学超表面，可在厘米量级的系统结构尺寸上实现偏振光谱的快速、稳定测量，进一步地，可实现对薄膜属性的快速、稳定测量。定测量。定测量。

【技术实现步骤摘要】
偏振光谱的测量方法、系统及其应用


[0001]本公开属于光学测量
，具体涉及一种偏振光谱的测量方法、系统及其应用，可被应用于薄膜结构特性检测和表面形貌检测等。

技术介绍

[0002]光场携带有丰富的信息，包括但不限于振幅，相位，偏振，光谱等等。对光场的探测能够在不同领域有丰富的应用。例如对偏振的探测可以实现对物质表面组成的分析，光谱的探测可以实现对化学物质的成分分析。然而传统的旋光仪和光谱仪通常结构复杂，成本高且难以在便携场景中进行应用。通过将偏振探测和光谱探测级联可以实现偏振和光谱的同时探测，但多路复用导致了探测系统更加复杂。
[0003]超表面是近年来新兴的一种平面光学元件，可以在亚波长的尺度上对矢量光场的振幅、相位、光谱、偏振等维度进行灵活调控。因此使用超表面可能实现一个紧凑的偏振光谱系统。目前已有使用超表面光栅在空间域将不同偏振和光谱衍射到不同方向上实现偏振光谱的同时探测。然而这种方法不可避免地存在光谱分辨率和光路长度的权衡。此外也有通过液晶超表面实现计算重构的偏振光谱探测，然而基于动态调控的组件不允许快照式的测量。
[0004]另一方面，在集成电路制造、显示面板、太阳能电池板等领域中薄膜属性(厚度和折射率)的测量对于保证产品的加工质量和效率非常重要。传统进行薄膜厚度测量的方法或仪器主要有白光干涉法、扫描电子束显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等等。其中白光干涉法利用宽谱光干涉手段，具有非接触性探测，精度较高等特点，然而干涉的方式对机械振动敏感，而且不适用于数纳米厚的超薄样品的测量。SEM和AFM等手段能进行高精度的薄膜厚度测量，但这些测量手段操作复杂、测量速度慢、测量环境要求高、仪器成本较高。此外，SEM需要对样品进行复杂的断面过程，会对样品造成一定破坏。
[0005]光谱椭偏法(Spectroscopic Ellipsometry)通过测量偏振光经过薄膜样品反射后的偏振和光谱信息来进行薄膜的结构测量，具有非接触式测量、测量速度快、精度高等优点。此外，光谱椭偏法还可以对待测薄膜的折射率进行测量，在薄膜测量领域逐渐成为主流的测量方法之一。光谱椭偏法的核心是对薄膜样品反射光偏振光谱信息的测量。然而，对于偏振测量，传统形式的光谱椭偏仪检测反射光的偏振特性的过程需要机械旋转的偏振片和补偿片，这种方法不是快照式的测量方式而且机械旋转给系统带来了不稳定因素。对于光谱探测，传统方法需要波长扫描的光源或者光谱仪，导致系统复杂，而且扫描的光源导致较长的测量时间。

技术实现思路

[0006]本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
[0007]为此，本公开第一方面提供的一种偏振光谱的测量方法，该方法利用具有偏振和光谱响应的光学超表面阵列，可在厘米量级的系统结构尺寸上实现偏振光谱的快速、稳定
测量。本公开第一方面提供的一种偏振光谱的测量方法，包括：
[0008]将均匀的待测光源入射至光学超表面阵列，获取透过所述光学超表面阵列的光的强度，所述光学超表面阵列由若干超表面单元组成，不同的所述超表面单元的光谱透过率响应具有偏振各向异性和多样性；
[0009]根据透过所述光学超表面阵列的光的强度和所述光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应重构所述待测光源的偏振光谱信息，以此作为测量结果。
[0010]可选地，通过采用具有不同周期和/或不同几何结构的所述光学超表面单元使不同的所述超表面单元的光谱透过率响应具有偏振各向异性和多样性。
[0011]可选地，所述待测光源的偏振光谱信息按照下式重构得到：
[0012][0013][0014]式中，为重构得到的入射光源的偏振光谱信息；为所述待测光源的偏振光谱信息；k为正则化项的系数，k＞0；M0为光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应。
[0015]可选地，将所述待测光源的偏振光谱信息表示为Stokes矢量的形式，按照下式得到光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应M0：
[0016][0017]式中，T
x
，T
y
，T
45
和T
lcp
分别为不同超表面单元在x偏振、y偏振、45
°
偏振和左旋圆偏振下的光谱透过率。
[0018]本公开第二方面提供的一种基于上述测量方法的偏振光谱的测量系统，包括：
[0019]所述光学超表面阵列，用于对均匀的待测光源进行偏振光谱调制；
[0020]探测器，用于获取透过所述光学超表面阵列的光的强度；
[0021]重构模块，用于根据透过所述光学超表面阵列的光的强度和所述光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应重构所待测光源的偏振光谱信息，作为测量结果。
[0022]本公开第三方面提供的一种将上述测量方法在薄膜厚度和折射率测量方面的应用。
[0023]可选地，所述应用为薄膜厚度和折射率的测量方法，包括：
[0024]将45
°
线偏振光入射至待测的薄膜样品；
[0025]将待测的薄膜样品产生的反射光均匀地入射至超表面阵列，获取透过所述光学超表面阵列的光的强度；
[0026]根据透过所述光学超表面阵列的光的强度和所述光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应重构所述反射光的偏振光谱信息；
[0027]根据重构的所述偏振光谱信息计算所述薄膜样品的椭偏参数，根据所述薄膜样品的椭偏参数得到所述薄膜样品的厚度和折射率。
[0028]可选地，根据重构的所述偏振光谱信息按照下式计算所述薄膜样品的椭偏参数：
[0029][0030][0031]式中，Ψ和Δ为薄膜样品的椭偏参数，分别对应根据所述反射光中p光和s光的复反射率得到的复反射比的振幅部分和相位部分；为重构的所述偏振光谱信息中光的强度，和为重构的所述偏振光谱信息中光的偏振态。
[0032]可选地，使用数值拟合函数曲线的方式根据所述薄膜样品的椭偏参数得到所述薄膜样品的厚度和折射率。
[0033]可选地，所述应用为薄膜厚度和折射率的测量系统，包括：
[0034]线偏振光产生模块，用于产生45
°
线偏振光；
[0035]均光器件，用于确保所述反射光均匀地入射到所述超表面阵列上；
[0036]所述光学超表面阵列，用于对均匀的所述反射光进行偏振光谱调制；
[0037]探测器，用于获取透过所述光学超表面阵列的光的强度；
[0038]计算模块，用于根据透过所述光学超表面阵列的光的强度和所述光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应重构所述反射光的偏振光谱信息，根据重构的所述偏振光谱信息计算所述薄膜样品的椭偏参数，根据所述薄膜样品的椭偏参数得到所述薄膜样品的厚度和折射率。
[0039]本公开的特点及有益效果：
[0040]本公开实施例的核心部件为具有偏振各向异性和光谱多样性响应的光学超表面阵列，在空间维度上对待测光源或者由薄膜样品产生的反射光进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种偏振光谱的测量方法，其特征在于，包括：将均匀的待测光源入射至光学超表面阵列，获取透过所述光学超表面阵列的光的强度，所述光学超表面阵列由若干超表面单元组成，不同的所述超表面单元的光谱透过率响应具有偏振各向异性和多样性；根据透过所述光学超表面阵列的光的强度和所述光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应重构所述待测光源的偏振光谱信息，以此作为测量结果。2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，通过采用具有不同周期和/或不同几何结构的所述光学超表面单元使不同的所述超表面单元的光谱透过率响应具有偏振各向异性和多样性。3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述待测光源的偏振光谱信息按照下式重构得到：式重构得到：式中，为重构得到的入射光源的偏振光谱信息；为所述待测光源的偏振光谱信息；k为正则化项的系数，k>0；M0为光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应。4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，将所述待测光源的偏振光谱信息表示为Stokes矢量的形式，按照下式得到光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应M0：式中，T
x
，T
y
，T
45
和T
lcp
分别为不同超表面单元在x偏振、y偏振、45
°
偏振和左旋圆偏振下的光谱透过率。5.一种基于权利要求1～4中任一项所述测量方法的偏振光谱的测量系统，其特征在于，包括：所述光学超表面阵列，用于对均匀的待测光源进行偏振光谱调制；探测器，用于获取透过所述光学超表面阵列的光的强度；重构模块，用于根据透过所述光学超表面阵列的光的强度和所述光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应重构所待测光源的偏振光谱信息，作为测量结果。6.一种将根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨原牧，闻顺，薛鑫源，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：