CN100426053C - 用于紫外-近红外波段椭圆偏振光谱仪的相位补偿器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于紫外-近红外波段椭圆偏振光谱仪的相位补偿器，由两块对称的角度为θ的平行四边形组成半个平行四边形，角度θ在45°-90°之间；两块的材性是各向同性晶体材料；相位补偿器的中心相移角度为270°；本发明的有益效果是：应用波段宽，覆盖紫外、可见和近红外波段；长度比其1/4波相移补偿器减小300%，体积小，重量轻；内全反射光斑比其1/4波相移补偿器减小288%，光学加工要求降低、光在晶体材料中的光程大大减小；机械安装调整容易，能够用于宽波段旋转补偿器结构椭圆偏振光谱仪中。

Description

用于紫外-近红外波段椭圆偏振光谱仪的相位补偿器

技术领域

本发明涉及一种椭圆偏振光谱仪，尤其涉及一种用于紫外-近红外波段椭圆偏振光谱仪的相位补偿器。

背景技术

椭圆偏振光谱技术是通过测量光在两种介质的界面上反射时偏振状态的变化，获得物质的介电函数、光学常数和薄膜结构的测试手段。它可广泛应用于各类新材料、薄膜材料、异质结构等光电子材料的光学和物理特性的研究中，无论在科学实验、前沿科学领域，还是在高新技术应用领域，都具有重要意义。在化学、通讯、数据存贮、平板技术、光刻技术、光学镀膜、半导体工艺和研发等领域具有广泛的应用。

旋转偏振器式椭圆偏振光谱仪因具有宽的光谱范围、高精度和准确性而得到成功应用。但其存在的最大局限是不能通过一次测量同时获取归一化Stokes矢量的三个分量，导致对具有低椭偏率角的偏振光，即接近于线偏振光(对应于Δ～0°和±180°)的表征时测量精度和准确度下降。

当对在透明基底(如玻璃)上的薄膜成核和生长(此时在宽光谱范围内Δ～0°)或对半导体或金属上的的厚介电膜(此时随着波长的变化Δ周期性的从0°到±180°变化)进行测量时，会产生较大的测量误差。解决此问题的有效途径是在椭圆偏振光谱仪光路中加入相位补偿器，采用固定起偏器(P)、旋转补偿器(C)和固定检偏器(A)椭偏仪布局方案(RCE)。RCE具有很多优点，包括：(1)准确的在整个测量范围内确定椭偏参数Ψ和Δ(ψ＝0-90°，Δ＝0-360°)；(2)无输入和输出剩余偏振态灵敏性(由于输入端起偏器固定，输出端检偏器固定)；(3)具有直接测量样品退偏振能力。

虽然光谱型RCE系统具有很多优点，问题是要制造出紫外-近红外宽波段旋转相位补偿器存在着困难。近年来，该挑战在一定波长范围内得到解决，采用单片和双片双折射波片或三反射棱镜在有限波段来实现相位延迟，但该类补偿器由于相位延迟依赖于波长的1/λ关系，或由于p光和s光在近红外波段相移几乎不变，不可避免的在部分波段，相位Δ经过180°，不能实现宽波段相移。

由图1可见：当采用固定起偏器(P)、旋转补偿器(C)和固定检偏器(A)的RCE布局时，入射到探测器上的Stokes矢量S_f为：

S_f＝[M_AR(A)M_S[R^-1(C)M_CR(C)][R^-1(P)M_P]S_i                           (1)

其中S_i为入射光的Stokes矢量，M_A、M_S、M_C和M_P分别是检偏器、样品、旋转补偿器和起偏器的Mueller矩阵。探测器上的光强信号可表示成如下形式：

I＝I₀(a₀-a_2ccos2C+a_2ssin2C+a_4ccos4C+a_4ssin4C)                     (2)

其中I₀a₀是入射光的平均值，C＝ωt是补偿器在时间t时的方位角，一个直流分量和四个交流分量如下：

a₀＝(1/2)(1-cosδ_c)(cos2Acos2P-cos2Pcos2Ψ+sin2Asin2Psin2ΨcosΔ) (3)

      -cos2Acos2Ψ+1

a_2c＝-sin2Asin2Psinδ_csin2ΨsinΔ                                 (4)

a_2s＝sin2Acos2Psinδ_csin2ΨsinΔ                                  (5)

a_4c＝(1/2)(1-cosδ_c)(cos2Acos2P-sin2Pcos2Ψ+sin2Asin2Psin2ΨcosΔ)(6)

通过测量补偿器旋转一周内探测器上光电流的变化，并进行FFT变换后，椭偏参数可以通过四个交流分量获得：

$\tan 2\mathrm{\ψ}=-\frac{{[({a_{2s}}^2+{a_{2c}}^2){(1-{\cos \mathrm{\δ}}_c)}^2/{\sin }^2{\mathrm{\δ}}_c+4{(a_{4s}\cos 2P-a_{4c}\sin 2P)}^2]}^{1/2}}{2(a_{4c}\cos 2P+a_{4S}\sin 2P)}---\left(7\right)$

$\tan \mathrm{\Δ}=\left(\frac{1-\cos {\mathrm{\δ}}_c}{2\sin {\mathrm{\δ}}_c}\right)\frac{a_{2c}\sin 2P-a_{2s}\cos 2P}{a_{4c}\sin 2P-a_{4s}\cos 2P}---\left(8\right)$

由式(4-6)可知，当δ_C＝0或±180°时，RCE系统回到旋转偏振器布局，此时当Δ～0°或±180°时，系统测量误差很大，因此要求采用补偿器来相移δ_C使Δ偏离0°或±180°。现有的相移方案是δ_C～90°，因为从理论上说此时系统测量误差最小。在设计中同时利用光学常数和波长两个参数，控制δ_C的变化|Δδ_C|＜90°，这便是现有各种旋转式补偿器设计的基本出发点。但由于波长从紫外-近红外变化范围跨越2³倍频，因此采用该实现方法的补偿器光谱范围不能足够宽。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供了一种用于紫外-近红外波段椭圆偏振光谱仪的相位补偿器，旨在解决上述缺陷。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明由两块对称的角度为θ的平行四边形组成半个平行四边形，角度θ在45°-90°之间；两块的材性是各向同性晶体材料；相位补偿器的中心相移角度为270°。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：应用波段宽，覆盖紫外、可见和近红外波段；长度比其1/4波相移补偿器减小300％，体积小，重量轻；内全反射光斑比其1/4波相移补偿器减小288％，光学加工要求降低、光在晶体材料中的光程大大减小；机械安装调整容易，能够用于宽波段旋转补偿器结构椭圆偏振光谱仪中。

附图说明

图1是现有技术的RCE系统；

图2是本发明的结构图；

图3是采用本发明的一个实施例；

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

由图2可见：本发明由两块对称的角度为θ的平行四边形组成半个平行四边形，角度θ在45°-90°之间；两块的材性是各向同性晶体材料；相位补偿器的中心相移角度为270°；

所述的各向同性晶体材料可以是HfO₂或ZrO₂或SrTiO₃或Al₂O₃；

所述的各向同性晶体材料是ZrO₂，所述的角度θ是48°；

采用如图2的光学结构构造旋转式宽波段相位补偿器，它是由两块对称的角度为θ的平行四边形组成。其基本原理是利用在入射面内p光和s光分量内全反射时相位的改变差实现的。一对平行四边形内的四次反射能产生四分之一、半波或其它相位延迟。采用如下公式计算该相位延迟器的相位延迟

$\tan \frac{{\mathrm{\δ}}_C}{8}=-\frac{\cos \mathrm{\θ}\sqrt{{\sin }^2\mathrm{\θ}-{\left(\frac{1}{n}\right)}^2}}{{\sin }^2\mathrm{\θ}}---\left(9\right)$

其中n为晶体材料的折射率。

在常规补偿器的设计中关注的是以δ_C～90°为中心，而在本发明中选择角度θ是δ_C以270°为中心相移角度。其优点是使得补偿器长度要减小300％，补偿器体积大大缩小，轻便、小巧。更重要的是内全反射光斑减小288％，光学加工要求降低、光在晶体材料中的光程大大减小，机械安装调整容易，能够实现旋转式补偿器结构。

本发明的调节方式是这样的：将本发明置于配套的圆形外套内，然后将外套装入调节架上。利用He-Ne激光器所发出的光束来准直。旋转补偿器，在四米外观察光斑围绕中心点的绕动，仔细调整固定补偿器的微调螺丝，使得补偿器旋转时同心度优于0.01°。

采用实现宽波段补偿器的材料可以是HfO₂，ZrO₂，SrTiO₃，Al₂O₃等各向同性晶体材料，下面给出一设计实例：

氧化锆(ZrO2)是一种立方晶体，从紫外-红外(8微米)波段具有高折射率和低吸收系数，低温度系数，且晶体尺寸大，适合制作紫外-近红外宽波段相位补偿器。选取角度θ＝48°，发现在宽波段相移δ_C能满足～270°±20°(图3)。另一点需要注意的是在椭圆偏振光谱中的单色光是准平行的，通常发散角为0.1°，我们计算了θ＝48±0.1°时对δ_C的影响，结果如图3所示。在紫外-近红外宽波段偏差Δδ_C＜0.6°，能很好的满足要求。

取入射光斑面积尺寸为8mm，设计出的旋转补偿器长度仅为17.7mm，该尺寸与同样光斑大小的旋转偏振器尺寸相当，适合应用到椭圆偏振光谱仪中。

Claims (3)

1. 一种用于紫外-近红外波段椭圆偏振光谱仪的相位补偿器，其特征在于：由两块对称的角度为θ的平行四边形组成半个平行四边形，角度θ在45°-90°之间；两块的材性是各向同性晶体材料；相位补偿器的中心相移角度为270°。

2. 根据权利要求1所述的用于紫外-近红外波段椭圆偏振光谱仪的相位补偿器，其特征在于：所述的各向同性晶体材料可以是HfO₂或ZrO₂或SrTiO₃或Al₂O₃。

3. 根据权利要求1所述的用于紫外-近红外波段椭圆偏振光谱仪的相位补偿器，其特征在于：所述的各向同性晶体材料是ZrO₂，所述的角度θ是48°。

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