CN105241820A - 一种弹光调制和电光调制级联的相位调制型椭偏仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及椭偏参数分析的技术领域，更具体而言，涉及一种弹光调制和电光调制级联的相位调制型椭偏仪，实现了一种高精度、高灵敏度、高重复性、高速率和无需机械调节的椭偏测量；该椭偏仪是基于弹光调制和电光调制的组合偏振调制技术和数字锁相处理信号技术实现的；检测光源经缩束后，依次通过起偏器、待测样品、电光调制器、弹光调制器，最后经检偏器出射到光电探测器，检测信号经FPGA数字锁相得到弹光调制倍频项数据，并传入计算机完成待测样品的椭偏参数处理，存储和显示；该椭偏仪测量速率快、工作稳定，便于工业化集成，为椭偏参数的测量及相关应用领域提供了新理论和新方法。

Description

一种弹光调制和电光调制级联的相位调制型椭偏仪

技术领域

本发明涉及椭偏参数分析的技术领域，更具体而言，涉及一种弹光调制和电光调制级联的相位调制型椭偏仪，实现了一种高精度、高灵敏度、高重复性、高速率和无需机械调节的椭偏测量。

背景技术

近年来，薄膜光学在信息技术、生物医学和集成电路等领域发挥着重要作用。椭偏仪则是研究薄膜光学特性的重要工具之一，椭偏仪通过测量Ψ和Δ两个椭偏参量，能够同时求解得到薄膜厚度、折射率和消光系数等光学参数。椭偏仪具有测量精度高、非接触和非破坏的测量优势。

自从1887年PaulDrude第一次提出并运用椭偏理论来分析金属膜层厚度和光学参数以来，椭偏技术获得了长足发展，数以千计的相关研究和工业应用被报道。现阶段，椭偏仪能够大致分为旋转偏振器件型和相位调制型两类。旋转偏振器件型椭偏仪通常旋转检测光路中的起偏器、检偏器或者补偿器。旋转起偏器或检偏器型椭偏仪，适用于宽光谱光源测量、椭偏成像系统，数据反演简单，能够应用对称测量的方法消除测量误差，但当Δ达到0或π时，测量不准确；旋转补偿器型椭偏仪，能够准确测量Ψ和Δ，但对于宽光谱光源测量定标复杂。此外，旋转偏振器件型椭偏仪测量过程需旋转偏振器件，测量光斑会发生漂移，测量重复性差，并且测量速率一般较低[见文献：EnricGarcia-Caurel,AntonelloDeMartino.ApplicationofSpectroscopicEllipsometryandMuellerElliposmetrytoOpticalCharacterization[J],AppliedSpectroscopy,2013,67(1):1-21]。相位调制型椭偏仪通常使用弹光调制器为核心器件，弹光调制器具有光谱范围宽、调制频率高和调制幅值大等优势，结合数字锁相信号处理技术，能够设计出高精度和高灵敏度的椭偏仪，并且该类型椭偏仪对非均匀和部分偏振样品的Mueller矩阵分析存在潜在优势。但单弹光相位调制型椭偏仪测量过程需调整仪器一次，两次测量才能够完全测量椭偏参数，这无疑降低了测量的精度和测量速率；双弹光相位调制型椭偏仪，虽然一次测量便可得到椭偏参量，但对弹光调制器要求严格、数据处理过程复杂、成本昂贵。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明基于电光调制和弹光调制级联的组合偏振调制技术和数字锁相信号处理技术，提供一种高速率、高精度、高灵敏度、高重复性、无机械调节元件、成本相对较低，并且测量过程操作方便可控的椭偏参量测量装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种弹光调制和电光调制级联的相位调制型椭偏仪，包括检测光源、缩束透镜组、起偏器、待测样品、电光调制器、弹光调制器、检偏器、光电探测器、前置放大器、信号采集和数字锁相模块和计算机PC；所述检测光源、缩束透镜组和起偏器构成入射臂，所述电光调制器、弹光调制器、检偏器和光电探测器构成出射臂，所述入射臂可以选择调节入射光入射待测样品的入射角，出射臂对应调节；所述信号采集和数字锁相模块包括FPGA和AD采集单元，所述光电探测器经前置放大器与AD采集单元连接；所述电光调制器包括电光晶体和直流高压驱动电路，所述电光晶体通过直流高压驱动电路与FPGA连接；所述弹光调制器包括弹光晶体和LC谐振高压驱动电路，所述弹光晶体通过LC谐振高压驱动电路与FPGA连接。

所述检测光源可以根据测量样品的薄膜厚度，选用不同波长的激光光源，或者选用光谱范围较宽的氙灯光源，所述待测样品(4)的薄膜厚度越厚则选用的波长越长。

所述检测光源经过缩束透镜组后的检测光斑可以缩束为直径50μm～100μm的微光斑。

选择与所述待测样品表面平行的方向为x轴方向，选择检测光传播方向的为z轴方向，垂直于x轴和z轴的为y轴方向，x轴、y轴和z轴建立实验笛卡尔直角坐标系，所述起偏器和检偏器的偏振轴方向相对于x轴分别取45°和0°，所述的电光调制器的调制快轴方向相对于x轴取22.5°，所述弹光调制器的调制快轴方向相对于x轴取45°。

所述电光调制器的电光晶体为利用铌酸锂横向电光效应制成的电光调制器，沿晶体光轴方向Z通光，沿晶体坐标Y方向施加电场，所述电光调制器的直流高压驱动电路输出电压0～15kV可调，并设有触发工作输入接口。

所述弹光调制器选用通光晶体为各向同性熔融石英的单压电石英驱动长棒状弹光调制器，谐振频率为50kHz。

所述光电探测器转化后的信号，其中交流部分经前置放大器放大后由AD采集单元采集并传入FPGA实现数字锁相；所述弹光调制器的LC谐振高压驱动电路的驱动信号源由FPGA提供，使得锁相时的参考信号与弹光调制器的调制信号同频同源。

所述FPGA设有周期为弹光调制器调制周期倍数可调的TTL信号输出口，并与电光调制器的驱动源触发口相连，TTL的频率选择控制系统的测量速率；所述FPGA与计算机PC连接通信，FPGA将完成的数字锁相数据传入计算机PC，计算机PC控制FPGA的工作和调节TTL信号的周期。

所述电光调制器的直流高压驱动电路在TTL触发信号的低电平和高电平时分别输出V＝0和半波电压V＝V_π的两种情况电场，解调调制信号便可求解出全部待测样品的椭偏参数。

所述计算机PC中编写Labview程序建立与FPGA的通信，完成待测样品的数据处理、存储，并作DA输出显示，实现对整个测量系统工作状态的控制。

与现有技术相比本发明所具有的有益效果为：

1)本发明采用弹光调制器和电光调制器级联，设计了弹光调制和电光调制组合相位调制型椭偏仪，探测过程无机械调节元件，系统稳定性好，能够实现实时快速的椭偏参量测量；

2)本发明采用数字锁相放大技术来进行信号处理，信号采集单元和数字锁相单元均由FPGA控制完成，并且弹光调制器的LC谐振高压驱动电路的信号源由FPGA产生，参考信号与调制基频信号同频，同源，保证了倍频项数据准确提取；

3)本发明计算机与FPGA实现通信，由计算机控制FPGA输出TTL信号触发电光调制器工作，并由计算机完成锁相数据处理，最终求解得椭偏参量Ψ和Δ进行存储和显示；

4)本发明的检测光源可以根据测量薄膜的特性，选配检测光源，并选择适合的入射角，保证了测量的精确度性；

5)本发明测量过程无机械调节元件，高精度全范围测量Ψ0-90°)和Δ(0-360°)，测量结果重复度高，测量速率快，测量系统有利于工业自动化集成。

附图说明

下面通过附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的连接示意图。

图中：1为检测光源、2为缩束透镜组、3为起偏器、4为待测样品、5为电光调制器、6为弹光调制器、7为检偏器、8为光电探测器、9为前置放大器、10为信号采集和数字锁相模块、11为计算机PC。

具体实施方式

下面实施例结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，一种弹光调制和电光调制级联的相位调制型椭偏仪，包括检测光源1、缩束透镜组2、起偏器3、待测样品4、电光调制器5、弹光调制器6、检偏器7、光电探测器8、前置放大器9、信号采集和数字锁相模块10和计算机PC11。

首先，将起偏器3和检偏器7的偏振轴调节与x轴分别成45°和0°，电光调制器5的调制快轴相对x轴成22.5°，弹光调制器6的调制快轴相对x轴成45°。上述系统运用Stokes参量和Mueller矩阵分析较为方便。通过起偏器3后的入射光Stokes参量为：

$S_{in}=I_0\left[\begin{array}{c}1\\ 0\\ 1\\ 0\end{array}\right]---\left(1\right)$

上式中，I₀为检测激光通过起偏器后的总强度。测量样品的Mueller矩阵为：

$M_S=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cccc}1& -cos2\mathrm{\Ψ}& 0& 0\\ -\cos 2\mathrm{\Ψ}& 1& 0& 0\\ 0& 0& sin2\mathrm{\Ψ}cos\mathrm{\Δ}& sin2\mathrm{\Ψ}sin\mathrm{\Δ}\\ 0& 0& -sin2\mathrm{\Ψ}\sin \mathrm{\Δ}& sin2\mathrm{\Ψ}cos\mathrm{\Δ}\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，Ψ为线偏振光经样品反射后椭圆偏振光的椭偏角，大小介于0°到90°；A为线偏振光经样品反射后椭圆偏振光的s光和p光之间的相位差，大小介于0°到360°。

弹光调制器和检偏器的Mueller矩阵可分别表示为：

$M_{PEM}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& cos\left({\mathrm{\δ}}_{PEM}\right)& 0& -sin\left({\mathrm{\δ}}_{PEM}\right)\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& sin\left({\mathrm{\δ}}_{PEM}\right)& 0& \cos \left({\mathrm{\δ}}_{PEM}\right)\end{array}\right]---\left(3\right)$

$M_A=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 0& 0\\ 1& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]---\left(4\right)$

式中，δ_PEM＝δ₀sin(2πft)，δ₀为弹光调制器的相位调制幅值，f为弹光调制器的调制频率。

对于电光调制器，利用铌酸锂单轴晶体的横向体电光效应，采用Y切晶片，沿晶片光轴Z方向通光，在晶片Y方向上施加电场。该类型横向体电光调制器无静态双折射，未施加电场，即时，入射光通过电光调制器不发生调制；施加半波电压，即V＝V_π时，调制快轴沿晶片Y方向，并使通过光的o光和e光两分量产生π的相位延迟，因此电光调制器两种工作状态的Mueller矩阵分别可以描述为：

(I)未施加电场V＝0时， $M_{EOM}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(5\right)$

(II)施加半波电压V＝V_π时， $M_{EOM}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& -1\end{array}\right]---\left(6\right)$

各光学元件轴向理想匹配后，忽略检测激光传播过程中的损失，经检偏器后出射光Stokes参量为：

S_out＝M_AM_PEMM_EOMM_SS_in(7)

将(1)—(6)式带入(7)式，并将电光调制的两种情况考虑，则探测器探测到的光强分别为：

$I_I=\frac{I_0}{2}(1+sin2\mathrm{\Ψ}sin\mathrm{\Δ}sin({\mathrm{\δ}}_{PEM})-cos2\mathrm{\Ψ}cos({\mathrm{\δ}}_{PEM}\left)\right)---\left(8\right)$

$I_{II}=\frac{I_0}{2}(1-sin2\mathrm{\Ψ}sin\mathrm{\Δ}sin({\mathrm{\δ}}_{PEM})+\sin 2\mathrm{\Ψ}cos\mathrm{\Δ}\cos ({\mathrm{\δ}}_{PEM}\left)\right)---\left(9\right)$

上述两式中，(8)式为电光调制器未施加调制电压V＝0时探测器探测到的光强，(9)式为电光调制器施加半波电压V＝V_π时探测器探测到的光强。将上式中的sin(δ_PEM)＝sin(δ₀sin(2πft))和cos(δ_PEM)＝cos(δ₀sin(2πft))利用第一类贝塞尔级数展开得：

$sin\left({\mathrm{\δ}}_{PEM}\right)=\underset{2k-1}{\Σ}2J_{2k-1}\left({\mathrm{\δ}}_0\right)sin\left(2\right(2k-1\left)\mathrm{\π}ft\right)---\left(10\right)$

$cos\left({\mathrm{\δ}}_{PEM}\right)=J_0\left({\mathrm{\δ}}_0\right)+\underset{2k}{\Σ}2J_{2k}\left({\mathrm{\δ}}_0\right)cos\left(4k\mathrm{\π}ft\right)---\left(11\right)$

上述两式中，k为正整数，J₀为0阶贝塞尔级数，J_2k-1，J_2k分别为2k-1阶和2k阶贝塞尔级数。将上述两式带入(8)和(9)式得：

$\begin{array}{c}{I}_I=\frac{I_0}{2}(1+\sin 2\mathrm{\Ψ}\sin \mathrm{\Δ}\left(\underset{2k-1}{\Σ}2J_{2k-1}\left({\mathrm{\δ}}_0\right)\sin \left(2\left(2k-1\right)\mathrm{\π}ft\right)\right)-\\ \cos 2\mathrm{\Ψ}\left(J_0\left({\mathrm{\δ}}_0\right)+\underset{2k}{\Σ}2J_{2k}\left({\mathrm{\δ}}_0\right)\cos \left(4k\mathrm{\π}ft\right)\right))\end{array}---\left(12\right)$

$\begin{array}{c}{I}_{II}=\frac{I_0}{2}(1-\sin 2\mathrm{\Ψ}\sin \mathrm{\Δ}\left(\underset{2k-1}{\Σ}2J_{2k-1}\left({\mathrm{\δ}}_0\right)\sin \left(2\left(2k-1\right)\mathrm{\π}ft\right)\right)+\\ \sin 2\mathrm{\Ψ}\cos \mathrm{\Δ}\left(J_0\left({\mathrm{\δ}}_0\right)+\underset{2k}{\Σ}2J_{2k}\left({\mathrm{\δ}}_0\right)\cos \left(4k\mathrm{\π}ft\right)\right))\end{array}---\left(13\right)$

将弹光调制器的相位调制幅值设置为δ₀＝2.63rad使得J₁(2.63)＝J₂(2.63)＝0.46，针对(12)和(13)两式的电光调制器的两种工作状态，交流信号先经前置放大器放大，再运用数字锁相放大技术提取出弹光调制一倍频项和二倍频项分别提取出来：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_I\left(1f\right)=K_2{K}_1{I}_0{J}_1\left(2.63\right)sin2\mathrm{\Ψ}sin\mathrm{\Δ}\\ V_I\left(2f\right)=-K_2{K}_1{I}_0{J}_2\left(2.63\right)\cos 2\mathrm{\Ψ}\end{array}\right.---\left(14\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{II}\left(1f\right)=-K_2{K}_1{I}_0{J}_1\left(2.63\right)sin2\mathrm{\Ψ}sin\mathrm{\Δ}\\ V_{II}\left(1f\right)=K_2{K}_1{I}_0{J}_2\left(2.63\right)\sin 2\mathrm{\Ψ}\cos \mathrm{\Δ}\end{array}\right.---\left(15\right)$

上述两式中，K₁是光电探测器的光电转换系数，K₂是与前置放大和锁相放大增益有关的常数。比较(14)和(15)式，为了解调出待测样品的椭偏参量，锁相输出的一倍频项数据与二倍频项数据的比值通常用到，并且比值分别为：

$R_I=\frac{V_I\left(1f\right)}{V_I\left(2f\right)}=-tan2\mathrm{\Ψ}sin\mathrm{\Δ}---\left(16\right)$

$R_{II}=\frac{V_{II}\left(1f\right)}{V_{II}\left(2f\right)}=-tan\mathrm{\Δ}---\left(17\right)$

由(16)式和(17)式可知，检测激光的不稳定性被消除，并可以求解得到线性双折射的相位延迟幅值和快轴方向角分别为：

Δ＝tan^-1(-R_II)(18)

$\mathrm{\Ψ}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}(-\frac{R_I}{sin\mathrm{\Δ}})---\left(19\right)$

由上述两式可知，椭偏参量的测量是相互关联的；一般地，椭偏角Ψ大小介于0°到90°，结合(15)式，根据情况II的一倍频项和二倍频项的值的大小及正负，通过(18)式可以求解得到0°到360°范围内所有的Δ值。

信号采集和数字锁相模块10的FPGA给弹光调制器6的LC谐振高压驱动电路提供输入信号的同时，产生一倍频和二倍频的参考信号。FPGA完成参考信号和采集的交流信号的乘，然后累加，并输出给计算机PC11。在计算机PC11中编制Labview的上位机控制程序，建立与FPGA的通信，通过FPGA输出TTL信号触发电光调制器5工作，然后将TTL对应高电平(“1”状态)和低电平(“0”状态)的数据分别求解得到R_I和R_II，再按式(18)和式(19)求解出椭偏参量Δ和Ψ，完成数据的存储和显示，或输入已建立的光学模型中求解得到待测的样品光学参数。

此处所说明的附图及实施例仅用以说明本发明技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了较详细的说明，所属领域的技术人员应当理解；依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种弹光调制和电光调制级联的相位调制型椭偏仪，其特征在于：包括检测光源(1)、缩束透镜组(2)、起偏器(3)、待测样品(4)、电光调制器(5)、弹光调制器(6)、检偏器(7)、光电探测器(8)、前置放大器(9)、信号采集和数字锁相模块(10)和计算机PC(11)；所述检测光源(1)、缩束透镜组(2)和起偏器(3)构成入射臂，所述电光调制器(5)、弹光调制器(6)、检偏器(7)和光电探测器(8)构成出射臂，所述入射臂可以选择调节入射光入射待测样品(4)的入射角，出射臂对应调节；所述信号采集和数字锁相模块(10)包括FPGA和AD采集单元，所述光电探测器(8)经前置放大器(9)与AD采集单元连接；所述电光调制器(5)包括电光晶体和直流高压驱动电路，所述电光晶体通过直流高压驱动电路与FPGA连接；所述弹光调制器(6)包括弹光晶体和LC谐振高压驱动电路，所述弹光晶体通过LC谐振高压驱动电路与FPGA连接。

2.根据权利要求1所述的一种弹光调制和电光调制级联的相位调制型椭偏仪，其特征在于：所述检测光源(1)可以根据待测样品(4)的薄膜厚度选用不同波长的激光光源或者选用光谱范围较宽的氙灯光源，所述待测样品(4)的薄膜厚度越厚则选用的波长越长。

3.根据权利要求1所述的一种弹光调制和电光调制级联的相位调制型椭偏仪，其特征在于：所述检测光源(1)经过缩束透镜组(2)后的检测光斑可以缩束为直径50μm～100μm的微光斑。

4.根据权利要求1所述的一种弹光调制和电光调制级联的相位调制型椭偏仪，其特征在于：选择与所述待测样品(4)表面平行的方向为x轴方向，选择检测光传播方向的为z轴方向，垂直于x轴和z轴的为y轴方向，x轴、y轴和z轴建立实验笛卡尔直角坐标系，所述起偏器(3)和检偏器(7)的偏振轴方向相对于x轴分别取45°和0°，所述的电光调制器(5)的调制快轴方向相对于x轴取22.5°，所述弹光调制器(6)的调制快轴方向相对于x轴取45°。

5.根据权利要求1所述的一种弹光调制和电光调制级联的相位调制型椭偏仪，其特征在于：所述电光调制器(5)的电光晶体为利用铌酸锂横向电光效应制成的电光调制器，沿晶体光轴方向Z通光，沿晶体坐标Y方向施加电场，所述电光调制器(5)的直流高压驱动电路输出电压0～15kV可调，并设有触发工作输入接口。

6.根据权利要求1所述的一种弹光调制和电光调制级联的相位调制型椭偏仪，其特征在于：所述弹光调制器(6)选用通光晶体为各向同性熔融石英的单压电石英驱动长棒状弹光调制器，谐振频率为50kHz。

7.根据权利要求1所述的一种弹光调制和电光调制级联的相位调制型椭偏仪，其特征在于：所述光电探测器(8)转化后的信号，其中交流部分经前置放大器(9)放大后由AD采集单元采集并传入FPGA实现数字锁相；所述弹光调制器(6)的LC谐振高压驱动电路的驱动信号源由FPGA提供，使得锁相时的参考信号与弹光调制器(6)的调制信号同频同源。

8.根据权利要求1所述的一种弹光调制和电光调制级联的相位调制型椭偏仪，其特征在于：所述FPGA设有周期为弹光调制器(6)调制周期倍数可调的TTL信号输出口，并与电光调制器(5)的驱动源触发口相连，TTL的频率选择控制系统的测量速率；所述FPGA与计算机PC(11)连接通信，FPGA将完成的数字锁相数据传入计算机PC(11)，计算机PC(11)控制FPGA的工作和调节TTL信号的周期。

9.根据权利要求1所述的一种弹光调制和电光调制级联的相位调制型椭偏仪，其特征在于：所述电光调制器(6)的直流高压驱动电路在TTL触发信号的低电平和高电平时分别输出V＝0和半波电压V＝V_π的两种情况电场，解调调制信号便可求解出全部待测样品的椭偏参数。

10.根据权利要求1所述的一种弹光调制和电光调制级联的相位调制型椭偏仪，其特征在于：所述计算机PC(11)中编写Labview程序建立与FPGA的通信，完成待测样品(4)的数据处理、存储，并作DA输出显示，实现对整个测量系统工作状态的控制。