CN104730001A - 一种高时间分辨率高精度的椭偏测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种高时间分辨高精度的椭偏测量方法，该方法利用偏光干涉原理将样品通光或反射光的偏振态改变转换成干涉条纹的移动，并利用高速相机对条纹的移动进行测量，获取椭偏参数和样品的光学参数。该椭偏测量方法的测量结果不受光源功率波动影响，属于线性测量精度高。时间分辨可达微秒量级，比现有的椭偏测量技术提高3到4个量级。

Description

一种高时间分辨率高精度的椭偏测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及光学偏振态测量的应用领域，尤其涉及一种高时间分辨率高精度的椭偏测量装置及其方法

背景技术

椭偏仪通过精密测量样品透射光(或反射光)的椭偏参数(即在相互垂直偏振分量的振幅比对应角度ψ和相位差Δ)来获得样品的光学参数，通过对ψ和Δ图谱的分析可以得到样品一系列的参数例如：薄膜厚度，复合膜中各成分的组分，介电常数，晶体双折射率等。椭偏测量技术与传统的偏光测量技术相比具有测量精度高、数据测量重复率高、不用与样品接触对样品造成的破坏性最小等特点，被广泛应用于光学工业、电子工业、金属材料工业、化学工业及物理学、化学、生物学和医学研究等许多领域中。目前随着椭偏技术应用在动态监测和基础学科动力学研究中的扩展，开发快速多参数测量的椭偏测量技术日益成为该领域的研究热点。例如在在半导体工艺方面，工艺控制是集成电路制造过程中的关键，急需一种无损、快速的在线测量来实时监测薄膜的生长情况反馈给工艺控制系统；在生物医学领域研究蛋白质与其外表面的吸附过程，抗体与抗原之间的免疫反应；在物理化学领域研究分子或原子间的物理吸附和化学吸附过程等都需要高时间分辨的实时测量手段。

现有的椭偏仪大多采用消光式和光度式两种方式。在早期的消光式椭偏仪中消光位置的确定需要手动完成，过程比较缓慢。若需多角度测量获取大量数据，手动需要的时间较长，自动化椭偏仪是当迫切解决难题。改进方法有在起偏器和检之间放置法拉第盒或者位调制器，通过对偏振面或者相位进行调制而得到调制消光椭偏仪[参见文献1.Chun-I Chuang,Shiuan-Huei Lin,Yu-FayeChao.,Rapid and accurate extraction of optical parameters for uniaxialbulk media by phase modulated ellipsometry,Optics and Lasers inEngineering,2013,51(7):861-866]。调制消光椭偏仪中振器件自身的精度决定了消光椭偏仪的测量，系统本身造成的误差影响较小。但总体而言消光式椭偏仪首先需要精确判断偏振元件的方位角然后再进行测量，测量时间通常大于1秒。光度式椭偏仪主要是把探测器接收到的光强信号进行傅里叶分析由傅里叶分析得出椭偏参量[参看文献2：徐鹏，刘涛，王林梓，李国光，熊伟和荣健，样品校准法在单波长椭偏仪中的应用，光学学报，2013,33(4):0412002]。相较于消光式椭偏仪，由于省略了确定偏振器件的方位角这一步骤，所以测量速度相对提高了很多。但是受光强多次测量和傅里叶变换算法的限制，目前高端光度式椭偏仪产品中时间分辨为几十毫秒量级，继续提高时间分辨率存在技术瓶颈。光度式椭偏仪的主要系统误差来自于不稳定光源和现阶段非线性效应很大的探测器。

发明内容

本发明的目的是针对以上不足之处，提供了一种高时间分辨率高精度的椭偏测量装置及其方法，极大提高各类椭偏参数检测的速度和工业应用中的检测效率。

本发明解决技术问题所采用的方案是：一种高时间分辨率高精度的椭偏测量装置，包括从左至右依次并排设置的起偏器、扩束镜、检偏器和成像屏，所述起偏器和扩束镜之间设置有样品；一激光光源经所述起偏器射入至样品；一位于所述扩束镜和检偏器之间的用于形成干涉条纹的晶体斜劈，所述晶体斜劈为带有劈角的双折射晶体，且呈四棱锥状，所述扩束镜与所述晶体斜劈之间还设有一四分之一波片；一用于采集干涉条纹的光强数据的线阵相机，所述线阵相机设置于所述成像屏的右侧，所述线阵相机的输出端连接至一计算机处理系统。

进一步的，所述晶体斜劈的劈角为1°。

进一步的，所述起偏角器的通光轴角度为45°。

一种线性的样品半波电压快速测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：所述激光光源经起偏器以一定的角度入射到待测样品，通过调整起偏器的快轴方向使入射到样品的o光和e光具有相同的振幅；

步骤S2：在所述样品的反射方向放置扩束镜，经所述扩束镜扩大后的光斑一部分经过四分之一波片入射到晶体斜劈，另一部分直接入射到晶体斜劈，再经过检偏器在成像屏上形成两组分别对应椭偏参数ψ和Δ的干涉条纹。

步骤S3：采用线阵相机对所述的两组条纹的同时进行采集，分别记录其光强数据。

步骤S4:经计算机处理系统对所述的光强数据进行滤波和除背景处理，得到波峰波谷位置，与标准偏振光产生地波峰波谷位置进行对比，计算出待测样品的椭偏参数；

步骤S5：结合椭偏方程，从步骤S4中的椭偏参数计算出样品的光学参数。

进一步的，所述晶体斜劈的劈角为1°。

进一步的，所述激光光源为波长为808nm的LD激光光源。

进一步的，所述线阵相机的像素为1280*1024的CCD相机。

进一步的，所述计算机处理系统为在Labview软件平台下采用波峰检测、中值滤波、傅里叶变换以及数组操作等模块编写程序，进行滤波、消除背景处理以及寻找波峰波谷等运算。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

(1)本发明的方法采用单次曝光实现椭偏测量，结合高速线阵相机可以实现微秒量级的时间分辨，可大幅提高椭偏测量效率，拓展应用范围。

(2)本发明的方法的测量结果与光源功率无关，不受光源功率波动的影响，而且是线性测量，有利于提高椭偏测量的精度和可靠性。

(3)本发明的方法所采用的光路紧凑稳定，可提高测试光路的长期稳定性

附图说明

下面结合附图对本发明专利进一步说明。

图1为本发明实施例测量装置的结构示意图。

图2为本发明实施例的晶体斜劈的结构示意图。

图中：1-激光光源；2-起偏器；3-样品；4-扩束镜；5-四分之一波片；6-晶体斜劈；7-检偏器；8-成像屏；9-线阵相机；10-计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1～2所示，本实施例提供的一种高时间分辨率高精度的椭偏测量装置，包括从左至右依次并排设置的起偏器2、扩束镜4、检偏器7和成像屏8，所述起偏器2和扩束镜4之间设置有样品3；一激光光源1经所述起偏器2射入至样品3；一位于所述扩束镜4和检偏器7之间的用于形成干涉条纹的晶体斜劈6，所述晶体斜劈6为带有劈角的双折射晶体，且呈四棱锥状，所述扩束镜4与所述晶体斜劈6之间还设有一四分之一波片5；一用于采集干涉条纹的光强数据的线阵相机9，所述线阵相机9设置于所述成像屏8的右侧，所述线阵相机8的输出端连接至一计算机10经软件进行处理。

在本实施例中，所述晶体斜劈6的劈角为1°。

在本实施例中，所述起偏角器2的通光轴角度为45°。

本实施例还提供一种高时间分辨率高精度的椭偏测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：所述激光光源1经起偏器2以一定的角度入射到待测样品3，通过调整起偏器2的快轴方向使入射到样品3的o光和e光具有相同的振幅；

步骤S2：在所述样品3的反射方向放置扩束镜4，经所述扩束镜4扩大后的光斑一部分经过四分之一波片5入射到晶体斜劈6，另一部分直接入射到晶体斜劈6，再经过检偏器7在成像屏8上形成两组分别对应椭偏参数ψ和Δ的干涉条纹。

步骤S3：采用线阵相机9对所述的两组条纹的同时进行采集，分别记录其光强数据。

步骤S4:在计算机经软件处理系统对所述的光强数据进行滤波和除背景处理，得到波峰波谷位置，与标准偏振光产生地波峰波谷位置进行对比，计算出待测样品的椭偏参数；

步骤S5：结合椭偏方程，从步骤S4中的椭偏参数计算出样品的光学参数。

在本实施例中，所述晶体斜劈6的劈角为1°。

在本实施例中，所述激光光源1为波长为808nm的LD光源。

在本实施例中，所述线阵相机9的像素为1280*1024的CCD相机。

在本实施例中，所述计算机处理系统为在Labview软件平台下采用波峰检测、中值滤波、傅里叶变换以及数组操作等模块编写程序，进行滤波、消除背景处理以及寻找波峰波谷等运算。

下面通过本实施例的具体实施过程做进一步说明。

以808nm的LD光源1为例，调节起偏器2的通光轴角度到与光学平台45°方向，使样品3入射光在水平和垂直两个方向上的振幅比为1:1。经过样品3调制后，椭偏参数ψ和Δ发生变化。光斑经过扩束镜4后直径为10mm,部分光斑经过808nm波段的四分之一波片5为零级石英波片，其快轴与水平方向呈45°。四分之一波片5的作用在于偏振光的竖直和水平方向的分量之间引入90°相位差，将样品3引起的振幅比对应角度的变化ψ转换成相差变化。与另外部分未经过四分之一波片5的光斑一起入射到石英晶体斜劈6，所述石英晶体斜劈6的劈角为1°,外观尺寸为20×20×2mm，结构示意图如图2。其中的箭头表示光轴方向，与x,y坐标轴重合，即分别位于水平和竖直方向上。通光沿着z向，劈角沿着x(水平)方向。光束通过晶体斜劈6后在光斑的不同水平位置上引入不同的光程差,最后通过第二片光轴水平放置的检偏器7到达成像屏形成两组分别对应ψ和Δ的干涉图样。用1280×1024像素的工业CCD相机，并在Labview软件平台下采用波峰检测、中值滤波、傅里叶变换以及数组操作等模块编写程序，进行滤波、消除背景处理以及寻找波峰波谷等运算。

可以假设经过样品后偏振光的琼斯矩阵为： $\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\ψ}\\ \sin \mathrm{\ψ}\·\exp \left(\mathrm{i\Δ}\right)\end{array}\right],$ 利用琼斯矩阵对偏振光的传播进行推导，可得到未经过四分之一波片的光路产生的干涉条纹对应的光强为：

I₁(x,Δ)＝1/2+1/2sin2ψcos(Δ+γ(x))

$\mathrm{\γ}\left(x\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(n_0-n_e)\tan \mathrm{\θ}\·x---\left(1\right)$

γ(x)表示由劈角为θ的晶体斜劈引入的相位差，与o光和e光的折射率差以及晶体斜劈6横向位置坐标x相关。I₁只与位置坐标x和相位差Δ有关。相差的大小表现为条纹位置的不同，因而可以通过对条纹的定位来测量Δ：

$\mathrm{\Δ}=\frac{\mathrm{\δx}}{l_x}\·2\mathrm{\π}$

$l_{\mathrm{\λ}}=\frac{\mathrm{\λ}}{(n_o-n_e)\·\tan \mathrm{\θ}}---\left(2\right)$

其中δx表示透过测试样品的偏振光产生地条纹与标准偏振光产生的条纹位置的变化量。l_λ表示条纹间距。即待测光的相位差是通过条纹的移动量条纹间距的比值来获得。因而测量的精度由条纹位置测量的精度与条纹间距所对应的相机像素来决定。例如为了方便条纹的采集，采用1°的石英晶体斜劈，可以计算出干涉形成的条纹间距l_λ约为5mm。该间距的选择主要考虑在整个光斑内需包含2到3个暗纹，便于相机对单个完整条纹进行记录。在上述要求内尽量大的条纹间距可以使单个条纹覆盖更多的相机像素，从而提高测试的精度。若调节相机的镜头，使整个条纹覆盖相机的1000像素，其波谷的稳定性测试精度可以达到0.2个像素，因而椭偏参数测量的相对精度可达到2×10^-4的量级。

对于含有四分之一波片的光路，光强为：

I₂(ψ,Δ,x)＝1/2+sin2ψcosΔcosγ(x)-2cos2ψsinγ(x)    (3)

将同时与两个椭偏参量和位置坐标有关。在测量出相差后，可以将I₂转换成与I₁类似的形式，从而也可以通过条纹的定位来获得振幅比参数。

综上所述，通过晶体斜劈的偏光干涉可以将经过样品的偏振光的转换成沿着一维方向的干涉条纹。通过对干涉条纹位置的测量可以获得偏振光的椭偏参数，进而可以计算出样品的光学参数。该方法椭偏参数的测量与激光的光强无关，可以有效排除光强波动带来的影响，提高测量的精度和可靠性。而测量的时间分辨率由相机的采样率来决定。采用100kHz以上的高速线阵相机，则该方法椭偏测量的时间分辨率可达到微秒量级，比现有的椭偏仪高3到4个量级。

本发明提供的上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1. 一种高时间分辨率高精度的椭偏测量装置，其特征在于：包括从左至右依次并排设置的起偏器、扩束镜、检偏器和成像屏，将待测样品设置于所述起偏器和扩束镜之间；一激光光源经所述起偏器射入至样品；一位于所述扩束镜和检偏器之间的用于形成干涉条纹的晶体斜劈，所述晶体斜劈为带有劈角的双折射晶体，且呈四棱锥状，所述扩束镜与所述晶体斜劈之间还设有一四分之一波片；一用于采集干涉条纹的光强数据的线阵相机，所述线阵相机设置于所述成像屏的右侧，所述线阵相机的输出端连接至一计算机经软件进行处理。

2.根据权利要求1所述的一种高时间分辨率高精度的椭偏测量装置，其特征在于：所述晶体斜劈的劈角为1°。

3.根据权利要求1所述的一种高时间分辨率高精度的椭偏测量装置，其特征在于：所述起偏角器的通光轴角度为45°。

4.基于权利要求1所述的一种高时间分辨率高精度的椭偏测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：所述激光光源经起偏器以一定的角度入射到待测样品，通过调整起偏器的快轴方向使入射到样品的o光和e光具有相同的振幅；

步骤S2：在所述样品的反射方向放置扩束镜，经所述扩束镜扩大后的光斑一部分经过四分之一波片入射到晶体斜劈，另一部分直接入射到晶体斜劈，再经过检偏器在成像屏上形成两组分别对应椭偏参数                                               和的干涉条纹；

步骤S3：采用线阵相机对所述的两组条纹的同时进行采集，分别记录其光强数据；

步骤S4:经计算机处理系统对所述的光强数据进行滤波和除背景处理，得到波峰波谷位置，与标准偏振光产生地波峰波谷位置进行对比，计算出待测样品的椭偏参数；

步骤S5：结合椭偏方程，从步骤S4中的椭偏参数计算出样品的光学参数。

5.根据权利要求4所述的一种高时间分辨率高精度的椭偏测量方法，其特征在于：所述晶体斜劈的劈角为1°。

6.根据权利要求4所述的一种高时间分辨率高精度的椭偏测量方法，其特征在于：所述激光光源为波长为808nm的LD激光光源。

7.根据权利要求4所述的一种高时间分辨率高精度的椭偏测量方法，其特征在于：所述线阵相机的像素为1280*1024的CCD相机。

8.根据权利要求4所述的一种高时间分辨率高精度的椭偏测量方法，其特征在于：所述计算机处理软件为Labview软件平台下在依次采用波峰检测模块、中值滤波模块进行滤波，用于消除背景处理。