CN102735337B - 一种椭圆偏振光谱仪中单色仪的校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及椭圆偏振光谱仪技术领域，特别涉及一种椭圆偏振光谱仪中单色仪的校准方法：将检偏器和标准石英波片放入光路中，确定好位置；撤出检偏器，设定起偏方向，扫描需校准波段的椭偏光谱，得到标准石英波片在P、S两方向上位相差色散曲线，与在相同条件下的P、S两方向上位相差的理论色散曲线进行比较，将实际波长校准至理论波长，实现对椭圆偏振光谱仪中单色仪波长的校准。本发明的校准方法，利用的是标准石英波片透射光谱的位相差色散原理，该校准方法理论简洁、清晰，设备要求简单、容易实现，校准速度快、精度高，与采用特定谱线的灯组光源校准方法相比，该校准方法降低了校准的操作难度，并实现了连续波长的校准。
Description
技术领域
本发明涉及椭圆偏振光谱仪技术领域，特别涉及一种椭圆偏振光谱仪中单色仪的校准方法。
背景技术
椭圆偏振光谱仪通过检测线偏振光与样品作用后光的偏振态的改变，计算后给出样品厚度、折射率等信息，在薄膜、晶体检测中的应用越来越广泛，是光学检测领域中能够实现无损、在线检测的重要检测仪器，具有非常高的检测精度。椭圆偏振光谱仪中单色仪的精密校准是保证光谱仪测量精度的重要前提，对单色仪的校准通常是出厂时采用汞灯、氢灯、钠灯、氖灯以及铜、锌、铁做电极的弧光等一组光源来定标的，设备要求高，技术复杂。普通椭圆偏振光谱仪的用户在设备长期使用或重新装调后对单色仪进行校准时，很难达到以上的技术条件，即使厂家工程师现场维护也通常仅采用一种光源做校准，这使得椭圆偏振光谱仪中单色仪在长期使用或光路重新装调后很难校准到出厂时的最佳状态，这将直接的降低椭圆偏振光谱仪的测量精度。
发明内容
为解决椭圆偏振光谱仪用户在对单色仪的精密校准过程中所遇到的设备要求高、技术复杂的困难，本发明采用常用的光学基本器件：检偏器和标准石英波片，设计了一种快速、精密的椭圆偏振光谱仪中单色仪的校准方法。
本发明是通过以下方式实现的：
一种椭圆偏振光谱仪中单色仪的校准方法，包括以下步骤：
（1）将待校准的椭圆偏振光谱仪的起偏臂和检偏臂调至水平透射模式；
（2）旋转起偏臂中的起偏器，将氙灯出射光调为P方向振动的线偏光，在起偏臂和检偏臂之间放入检偏器，旋转检偏器至消光；
（3）将标准石英波片放入起偏臂和检偏器之间，使入射光线垂直波片表面，旋转标准石英波片，使其光轴沿水平方向，这时将再次出现消光；
（4）旋转起偏臂中的起偏器，将出射线偏光振动方向调至与P方向成45度角方向；
（5）撤出检偏器，扫描需校准波段的椭偏光谱，得到标准石英波片在P、S两方向上的位相差色散曲线；
（6）将上述步骤（5）得到的P、S两方向上位相差色散曲线与所使用的标准石英波片在相同条件下的P、S两方向上位相差的理论色散曲线进行比较，将实际波长校准至理论波长，实现对椭圆偏振光谱仪中单色仪波长的校准。
所述的校准方法，步骤（6）中计算标准石英波片在P、S两方向上位相差的理论色散曲线时，取0～360度范围内的曲线作为标准石英波片在P、S两方向上位相差的理论曲线。
所述的校准方法，将实际波长校准至理论波长，具体步骤为：
（1）在步骤（5）得到的P、S两方向上位相差色散曲线与理论色散曲线图上，作等位相的水平直线与两曲线相交，两个交点间的波长差值即为该点的校准值；
（2）如果实际测量的P、S两方向上位相差色散曲线相对理论色散曲线整体向右平移，单色仪波长的准确读数应该在原读数的基础上整体减去校准值；如果实际测量的P、S两方向上位相差色散曲线相对理论色散曲线整体向左平移，单色仪波长的准确读数应该在原读数的基础上整体加上校准值。
本发明中所述的标准石英波片是光学仪器中的一种器件，可用于改变偏振光的位相差。标准石英波片几何厚度用d表示。根据椭偏光谱测量原理，上述步骤（6）测量得到波片的位相差色散曲线满足方程：
Δ（λ）=（360/λ）·Δn·d 方程一
其中Δ为P方向与S方向上的位相差，λ为对应波长，d为波片厚度，是温度的函数，在常温下为近似为固定的常数，Δn为石英晶体双折射率差，它是波长与温度的函数，在常温下其色散满足如下经验方程：
Δn（λ）=0.01436-2.63111·10-5·λ+5.62427·10-8λ2-6.73725·10-11λ3+4.75388·10-14λ4 -1.96809·10-17λ5+4.41564·10-21λ6-4.14135·10-25λ7 方程二
其中λ为波长，单位为纳米。
方程一即为本发明校准椭圆偏振光谱仪中单色仪的理论基础。
根据方程一和方程二，可计算出标准石英波片的理论位相差色散曲线，然后与实验实际测量得到的色散曲线进行比较，可对光谱仪波长进行快速校准。
本发明中所述的P方向为垂直水平面的竖直方向，S方向为水平方向。
本发明中所述的检偏器是光学仪器中的一种器件，可用于鉴别光的偏振状态。
关于波长校准精度的理论分析：
根据理论公式：Δ（λ）=（360/λ）·Δn·d，Δn=0.01436-2.63111·10-5·λ+5.62427·10-8λ2-6.73725·10-11λ3+4.75388·10-14λ4 -1.96809·10-17λ5+4.41564·10-21λ6-4.14135·10-25λ7
则：Δ（λ）=（0.01436-2.63111·10-5·λ+5.62427·10-8λ2-6.73725·10-11λ3+4.75388·10-14λ4 -1.96809·10-17λ5+4.41564·10-21λ6-4.14135·10-25λ7/λ）·360·d
=（0.01436λ-1-2.63111·10-5 +5.62427·10-8λ-6.73725·10-11λ2+4.75388·10-14λ3 -1.96809·10-17λ4+4.41564·10-21λ5-4.14135·10-25λ6）·360·d，
将其对λ求一阶导数，则有：
Δ‘（λ）=（-0.01436λ-2+5.62427·10-8 -2·6.73725·10-11λ+3·4.75388·10-14λ2 -4·1.96809·10-17λ3+5·4.41564·10-21λ4-6·4.14135·10-25λ5）·360·d
利用Mathematica绘图软件对其做三维图，如图6。
可见Δ‘（λ）在短波长方向绝对值较大，在长波长方向绝对值较小。Δ“（λ）绝对值大表明Δ随λ的变化速率快，反之则慢，对长波长处进行放大如图7。
可以看到，采用较厚的标准波片，可以提高Δ‘（λ）的绝对值，若采用1mm厚度的标准波片，则可以实现Δ‘（λ）在190～1700nm的波段内最小绝对值大于1.0，因实际校准过程中，位相差测量精度为0.1度，所以对应的波长精度优于0.1nm，适用于一般的光谱仪日常维护对波长精度的检查。若需进一步的提高校准精度，则需要选用厚度更大的波片，若选用1cm厚标准波片，则可在上述紫外至红外的宽波段内实现0.01nm的测量精度，达到专业光谱校准精度水平。在具体校准过程中需要对波片进行恒温控制，厚度较大的波片容易在波片内部出现温度起伏，产生大的误差，所以实际校准过程中应根据检测或校准精度的需要和校准波段的范围，选择厚度合适的标准波片。
本发明的有益效果：本发明的椭圆偏振光谱仪中单色仪的校准方法，利用的是标准石英波片透射光谱的位相差色散原理，该校准方法理论简洁、清晰，设备要求简单、容易实现，校准速度快、精度高，与采用特定谱线的灯组光源校准方法相比，该校准方法降低了校准的操作难度，并实现了连续波长的校准。
附图说明
图1是本发明的测量装置光路示意图，其中：
1-氙灯光源，2-起偏臂，3-标准石英波片，4-检偏器，5-检偏臂，6-单色仪与探测器，7计算机；
图2是厚度为635μm的标准石英波片在P、S两方向上的位相差色散理论曲线，
横坐标为波长，纵坐标为P、S两方向上的位相差；
图3是厚度为635μm的标准石英波片在820～900nm波段的P、S两方向上的位相差色散的理论曲线，其中：
横坐标为波长，纵坐标为P、S两方向上的位相差；
图4是本发明实施例1中，待校准光谱仪测量得到的标准石英波片的位相差色散曲线和位相差色散理论曲线，其中：
横坐标为波长，纵坐标为P、S两方向上的位相差，实线为待校准光谱仪测量得到的标准石英波片的位相差色散曲线，虚线为标准石英波片的位相差色散理论曲线；
图5是本发明实施例2中, 待校准光谱仪测量得到的标准石英波片的位相差色散曲线和位相差色散理论曲线，其中：
横坐标为波长，纵坐标为P、S两方向上的位相差，实线为待校准光谱仪测量得到的标准石英波片的位相差色散曲线，虚线为标准石英波片的位相差色散理论曲线；
图6为利用Mathematica绘图软件对Δ‘（λ）做的三维图；
图7为图6中长波长端的放大图；
图8为实施例1和2中Δ‘（λ）随波长的变化曲线图。
具体实施方式
如图1所示，椭圆偏振光谱仪光路结构，依次由氙灯光源1、起偏臂2、检偏臂5、单色仪与探测器6、计算机7组成。
几何厚度为635μm的标准石英波片，190～1700nm波段的P、S两方向上位相差的理论色散曲线见图2，820～900nm波段的P、S两方向上0-360o范围内的等效位相差的理论色散曲线见图3。
实施例1：
椭圆偏振光谱仪中单色仪的校准方法，包括以下步骤：
（1）将待校准的椭圆偏振光谱仪的起偏臂2和检偏臂5调至水平透射模式；
（2）调整起偏臂2参数，将氙灯出射光线调整为P方向的线偏振光，然后如图1所示，在光路中的起偏臂2和检偏臂5之间放入检偏器4，旋转检偏器4至消光，就将检偏器4的位置确定好了；
（3）将几何厚度为635μm的标准石英波片3放入光路的起偏臂2和检偏器4之间，使入射光线垂直波片表面，旋转波片使光轴沿水平方向，这时将再次消光，将标准石英波片3的位置确定好；
（4）调整起偏臂2参数，将出射光线偏光振动方向调至与P方向成45度角方向；
（5）撤出检偏器4，扫描需校准波段820～850nm的椭偏光谱，得到标准石英波片3在P、S两方向上位相差色散曲线；
（6）按照公式1与公式2，计算标准石英波片3在相同条件下的P、S两方向上位相差的理论色散曲线，并舍弃360度的整数倍，转化为0～360度范围内的等效位相差的理论色散曲线，将步骤（5）中得到的P、S两方向上位相差色散曲线与理论色散曲线进行比较，见图4，实线为待校准光谱仪测量得到的标准石英波片的位相差色散曲线，虚线为标准石英波片的理论色散曲线。
作等位相直线与两曲线相交，两交点间横坐标之差即为对应该点的校准值，很明显，测量得到的实验曲线与理论曲线基本平行，出现整体的平移，实际测量曲线相对理论曲线整体向左平移了4.0nm，所以单色仪波长原来读数整体偏小，整体校准为原读数加4.0nm，实现了对椭圆偏振光谱仪中单色仪在820～850nm波段的整体校准。
实施例2：
椭圆偏振光谱仪中单色仪的校准方法，包括以下步骤：
（1）将待校准的椭圆偏振光谱仪的起偏臂2和检偏臂5调至水平透射模式；
（2）调整起偏臂2参数，将氙灯出射光线调整为P方向的线偏振光，然后如图1所示，在光路中的起偏臂2和检偏臂5之间放入检偏器4，旋转检偏器4至消光，就将检偏器4的位置确定好了；
（3）将几何厚度为635μm的标准石英波片3放入光路的起偏臂2和检偏器4之间，使入射光线垂直波片表面，旋转波片使光轴沿水平方向，这时将再次消光，将标准石英波片3的位置确定好；
（4）调整起偏臂2参数，将出射线偏光振动方向调至与P方向成45度角方向；
（5）撤出检偏器4，扫描需校准波段856～900nm的椭偏光谱，得到标准石英波片3在P、S两方向上位相差色散曲线；
（6）按照公式1与公式2，计算标准石英波片3在相同条件下的P、S两方向上位相差的理论色散曲线，并舍弃360度的整数倍，转化为0～360度范围内的等效位相差的理论色散曲线，将步骤（5）中得到的P、S两方向上位相差色散曲线与理论色散曲线进行比较，见图5，实线为待校准光谱仪测量得到的标准石英波片的位相差色散曲线，虚线为标准石英波片的理论曲线。
作等位相直线与两曲线相交，两交点间横坐标之差即为对应该点的校准值，很明显，测量得到的实验曲线与理论曲线基本平行，出现整体的平移，实际测量曲线相对理论曲线整体向右平移了2.0nm，所以单色仪波长原来读数整体偏大，整体校准为原读数减2.0nm，实现了对椭圆偏振光谱仪中单色仪在856～900nm波段的整体校准。
实施例1和2中，采用了635μm厚度的波片，如图8所示，|Δ‘（λ）|在820～900nm波段内的最小值在900nm处，约为2.65，0.1度的位相差Δ的测量精度对应0.04nm的波长校准精度，达到了专业光谱校准精度的水平，说明635μm厚度的波片，即可实现820～900nm波段的光谱校准。
Claims (4)
1.一种椭圆偏振光谱仪中单色仪的校准方法，包括以下步骤：
（1）将待校准的椭圆偏振光谱仪的起偏臂和检偏臂调至水平透射模式；
（2）旋转起偏臂中的起偏器，将氙灯出射光调为P方向振动的线偏光，在起偏臂和检偏臂之间放入检偏器，旋转检偏器至消光；
（3）将几何厚度为635μm的标准石英波片放入起偏臂和检偏器之间，使入射光线垂直波片表面，旋转标准石英波片使光轴沿水平方向，再次消光；
（4）旋转起偏臂中的起偏器，将出射线偏光振动方向调至与P方向成45度角方向；
（5）撤出检偏器，扫描需校准波段的椭偏光谱，得到在P、S两方向上位相差色散曲线；
其特征在于包括步骤（6）：
（6）将上述步骤（5）得到的P、S两方向上位相差色散曲线与所使用几何厚度为635μm的标准石英波片在相同条件下的P、S两方向上位相差的理论色散曲线进行比较，将实际波长校准至理论波长，实现对椭圆偏振光谱仪中单色仪波长的校准。
2.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于步骤（6）中计算标准石英波片在P、S两方向上位相差的理论色散曲线时，取0～360度范围内的曲线作为标准石英波片在P、S两方向上位相差的理论曲线。
3.根据权利要求2所述的校准方法，其特征在于将实际波长校准至理论波长，具体步骤为：①在步骤（5）得到的P、S两方向上位相差色散曲线与理论色散曲线图中作等相位线，等相位的水平直线与两曲线相交，两个交点间的波长差值即为该点的校准值；
②如果实际测量的P、S两方向上位相差色散曲线相对理论色散曲线整体向右平移，单色仪波长的准确读数应该在原读数的基础上减去校准值；如果实际测量的P、S两方向上位相差色散曲线相对理论色散曲线整体向左平移，单色仪波长的准确读数应该在原读数的基础上加上校准值。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的校准方法，其特征在于入射线波长为820～900nm。
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- 2012-07-03 CN CN201210226072.9A patent/CN102735337B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1743796A (zh) * | 2005-09-28 | 2006-03-08 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 测量双折射单轴晶体波片厚度的方法和装置 |
| EP1792653A1 (en) * | 2005-12-05 | 2007-06-06 | FOSS Analytical A/S | Apparatus and method for spectrophotometric analysis |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 1/4波片延迟量的相位调制椭偏测量法;赵培等;《光学学报》;20060331;第380-382页 * |
| JP特开2004-340833A 2004.12.02 |
| 赵培等.1/4波片延迟量的相位调制椭偏测量法.《光学学报》.2006,第380-382页. |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102735337A (zh) | 2012-10-17 |
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