CN105403514A - 一种多波长入射单发椭偏测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多波长入射单发椭偏测量方法，首先提供宽光谱激光光源、宽带偏振片、样品、扩束镜、宽带1/4波片、晶体斜劈、宽带检偏器、狭缝、透射光栅、成像屏、面阵相机以及计算机，通过双折射晶体斜劈的偏光干涉将光偏振态的变化转换成一维条纹光斑的移动，采取合理光路设计将多波长入射光对应的条纹分布在另外一个维度上，利用图像技术对光斑内的多组条纹进行定位和处理，在单次测量中即可获得各个波长对应的偏振态信息。本发明的测试方法无机械旋转或光学调制器件，而且测量结果与光强波动无关，可以极大减小系统的测量误差，提高测量的稳定性。本发明的测量速度只受限于相机采集速度，结合高速线阵相机，可以将时间分辨率缩短到毫秒以下。

Description

一种多波长入射单发椭偏测量方法

技术领域

本发明涉及光学偏振态测量的应用领域，特别是一种多波长入射单发椭偏测量方法。

背景技术

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。该专利利用偏光干涉原理和多波长入射光路结构,通过单次测量可以同时获得多组对应不同入射波长的椭偏数据，从而实现多组椭偏数据的实时在线测量技术。本发明可以大幅提高多波长入射椭偏参数检测的速度和工业应用中的检测效率，还有望将快速椭偏测量应用于对物理、生物和化学等微观领域的动态过程研究中。

椭偏仪通过精密测量特定波段或入射角下样品透射或反射光的椭偏参数(即互相垂直的偏振分量的振幅比和相位差)来获得样品的光学参数。通过对不同入射角或者不同波段椭偏参数进行测量，可以获得样品一系列光学参数例如：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小等特点，被广泛应用于薄膜制造业、集成电路制造业、半导体行业、化学工业及物理学、化学、生物学和医学研究等许多领域中。目前国外椭偏仪已从实验室阶段走向市场，主流研究生产椭偏仪的公司有美国的Woollam、法国的SOPRA、日本的Horiba等等公司。其中Woollam公司的产品占市场主导地位，其产品的工作波段覆盖了深紫外、可见光以及近红外等各个波段。但是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。若进行多角度或者多波长测量获取大量数据，手动调节需要的时间较长。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。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，单组测量时间通常大于1秒，若需要测量多组椭偏参数所需的时间更长。而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。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单组椭偏数据测量的时间分辨为几十毫秒量级，而进行多角度或者多波长椭偏数据测量则需要手动或者机械调节光路结构，所需时间更长。这对于实时监控和动力学研究中所需的毫秒甚至微秒量级的时间分辨而言还有较大的差距。进一步提高时间分辨受到角度调节或者波长调节、数据采集以及反演算法等各个环节所需的时间限制，存在技术瓶颈。

因此要发展提高椭偏仪的时间分辨首先应当避免采用多次测量方式，特别是在多参数测量中应当避免手动或者电动调节方式而采用单发测量技术；其次需要改进椭偏测量的数据采集方式和反演算法而实现高速测量。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种多波长入射单发椭偏测量方法，无机械旋转或光学调制器件，测量速度只受限于相机采集速度，而且测量结果与光强波动无关，可以极大减小系统的测量误差，提高测量的稳定性。无论对提高工业监测的效率还是拓展椭偏技术的在基础研究中的应用都将具有重大意义。

本发明采用以下方案实现：一种多波长入射单发椭偏测量方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：提供宽光谱激光光源、宽带偏振片、样品、扩束镜、宽带1/4波片、晶体斜劈、宽带检偏器、狭缝，透射光栅、成像屏、面阵相机以及计算机；

步骤S2：选取一特定波长的宽光谱激光光源入射到样品上，所述宽光谱激光光源经过光轴45°放置的所述宽带偏振片起偏后得到一反射光入射到至所述样品上，所述反射光的偏振态与样品的光学参数有关，不同入射波长的反射光对应的的椭偏参数ψ和Δ不同；

步骤S3：所述扩束镜放置在所述样品的反射方向，所述反射光经所述扩束镜后形成放大的圆形光斑，所述圆形光斑的一部分经所述宽带1/4波片入射至所述晶体斜劈，所述圆形光斑的另一部分直接入射到所述晶体斜劈；所述圆形光斑由所述晶体斜劈射出后依次经所述宽带检偏器、横向放置的狭缝，形成包含宽光谱的长条形光斑，所述长条形光斑经过所述透射光栅后在竖直方向上多波长光谱分离，并在所述成像屏上形成多组分别对应不同入射波长的椭偏参数ψ和Δ的干涉条纹；

步骤S4：采用面阵相机对所述的干涉条纹同时进行采集，得到干涉条纹的光强数据；

步骤S5：对步骤S4中的光强数据进行滤波和除背景处理，得到不同波长入射光对应的波峰波谷位置，再与标准偏振光产生的波峰波谷位置进行对比，计算出样品的椭偏参数ψ和Δ；

步骤S6：结合椭偏方程，由所述步骤S5中的椭偏参数计算出样品的光学参数。

进一步地，所述的晶体斜劈为劈角为θ的双折射晶体。由于晶体的双折射特性，所通过的o光和e光的相差与晶体厚度有关。斜劈状的晶体将在光斑内引入沿劈角方向的线性相差分布，经检偏器形成等间距干涉条纹。对所述条纹进行定位可以测量由样品光学性质引入的相偏振态变化，实现椭偏测量。

进一步的，所述宽光谱激光光束经过所述宽带偏振片后以一定的角度入射至样品上，由于样品的光学参数与光学波长相关，因而反射光中包含随波长变化的椭偏参数ψ和Δ，而多波长的光谱信息通过后续的所述光栅进行分离。

进一步地，所述步骤S4中具体包括以下步骤：

步骤S41：经过样品反射后形成的反射光的琼斯矩阵为

$\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\ψ}\\ \sin \mathrm{\ψ}\·\exp \left(i\mathrm{\Δ}\right)\end{array}\right];$

步骤S42：利用步骤S41中的琼斯矩阵计算得到未经过所述宽带1/4波片形成的干涉条纹对应的光强为：

I₁(x,Δ)＝1/2+1/2sin2ψcos(Δ+γ(x))；

经过宽带宽1/4波片的光路产生的干涉条纹对应的光强为：

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

其中为由劈角为θ的晶体斜劈引入的相位差，n_o与n_e分别为o光和e光的折射率差，x为晶体斜劈的横向位置坐标，ψ和Δ为椭偏参数，λ为波长。

较佳地，本发明通过单次曝光实现椭偏测量光路，结合所述面阵相机提供高时间分辨。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1、采用单次曝光实现多波长椭偏测量，结合高速面阵相机对多波长椭偏测量的时间可以缩短至毫秒量级，可较大提高椭偏测量效率，拓展应用范围。

2、由于测量结果与光源功率无关，测量结果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

图1为本发明采用的椭偏测量方法光路图。

图2为本发明中双折射晶体结构示意图。

图3为本发明中多波长椭偏测量的干涉条纹图样。

[主要组件符号说明]

图中：1为宽光谱激光光源、2为宽带偏振片、3为样品、4为扩束镜、5为宽带1/4波片、6为晶体斜劈、7为宽带检偏器、8为狭缝、9为透射光栅、10为成像屏、11为面阵相机、12为计算机。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本实施例提供了本实施例提供，一种多波长入射单发椭偏测量方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：提供宽光谱激光光源1、宽带偏振片2、样品3、扩束镜4、宽带1/4波片5、晶体斜劈6、宽带检偏器7、狭缝8，透射光栅9、成像屏10、面阵相机11以及计算机12；

步骤S2：选取一特定的宽光谱激光光源1入射到样品3上，光束经过光轴45°放置的宽谱偏振片2起偏后入射到至样品3上，反射光的偏振态与样品的光学参数有关，不同入射波长的反射光对应的的椭偏参数ψ和Δ不同；

步骤S3：所述扩束镜4放置在所述样品3的反射方向，所述反射光斑经入射至所述扩束镜4后形成放大的圆形光斑，所述圆形光斑的一部分经宽带1/4波片5入射至所述晶体斜劈6，所述圆形光斑的另一部分直接入射到所述晶体斜劈6；所述圆形光斑由所述晶体斜劈6射出后经所述宽带检偏器7和横向放置的狭缝8，形成包含宽光谱的长条形光斑，经过所述透射光栅9后在竖直方向上多波长光谱分离，在所述成像屏10上形成多组分别对应不同入射波长的椭偏参数ψ和Δ的干涉条纹。

步骤S4：采用面阵相机11对所述的干涉条纹同时进行采集，得到干涉条纹的光强数据；

步骤S5：采用计算机12中的处理系统对所述的光强数据进行滤波和除背景处理，得到不同波长入射光对应的波峰波谷位置，再与标准偏振光产生的波峰波谷位置进行对比，计算出样品的椭偏参数ψ和Δ；

步骤S6：结合椭偏方程，由所述步骤S5中的椭偏参数计算出样品的光学参数。

在本实施例中，所述的晶体斜劈为劈角为θ的双折射晶体。由于晶体的双折射特性，所通过的o光和e光的相差与晶体厚度有关。斜劈状的晶体将在光斑内引入沿劈角方向的线性相差分布，经检偏器形成等间距干涉条纹。对所述条纹进行定位可以测量由样品光学性质引入的相偏振态变化，实现椭偏测量。

在本实施例中，所述宽光谱激光源1的光束经过所述宽带偏振片2后以一定的角度入射至样品3上，由于样品的光学参数与光学波长相关，因而反射光中包含随波长变化的椭偏参数ψ和Δ，而多波长的光谱信息通过后续的所述光栅9进行分离。

在本实施例中，通过单次曝光实现椭偏测量光路，结合所述面阵相机11提供高时间分辨。

为了更好的说明本实施例提供的测量方法，本实施例选取一宽带激光光源1，所述光源为中心波长808nm，带宽40nm的宽光谱激光光源，通过宽带宽偏振片2调节入射光的偏振态与与光学平台水平方向呈45°，使入射光在光路截面的水平和垂直两个方向上的振幅比为1:1，入射到样品3的表面上形成宽光谱的反射光。由于样品3的光学参数与波长有关，经过样品3调制后反射光将包含波长相关的椭偏参数ψ和Δ的变化。反射光斑经过扩束镜4后直径被扩大至10mm。一部分圆形光斑经过宽带1/4波片5，宽带1/4波片的快轴与水平方向呈45°。所述宽带1/4波片的作用是在偏振光的竖直和水平方向的分量之间引入90°相位差，将样品引起的振幅比变化转换成相差变化。经过宽带1/4波片的光斑与另一部分未经过宽带1/4波片的光斑一起入射到晶体斜劈6。所述晶体斜劈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,通过光轴水平放置的宽带检偏器7和狭缝8形成包含多光谱偏振信息的水平细条状带条纹光斑。该光斑经过刻线沿着水平方向的透射光栅9后，不同波段的光束在竖直方向分离，在成像屏10上形成多组干涉条纹图样。干涉条纹的水平分布给出单一入波长对应的椭偏参数Δ和Ψ信息，而多波长入射的差别体现在竖直方向条纹分布的差别上。图3给出了模拟的干涉光斑，由图3可以看出图像可以分成左右两部分,分别对应了光路经过1/4波片和不经过1/4波片的干涉条纹。其左侧的干涉条纹包含了相位差变化的信息，而右侧的干涉条纹给出了对应振幅比变化的信息。可见单一入射波长的椭偏数据可以通过x方向的光强获得，而多波长入射产生的和变化的带来的光强分布差异体现在光斑的竖直y方向。用面阵相机11采集得到的干涉条纹，并计算机12中的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模块进行滤波、消除背景处理，并且寻找波峰波谷以及椭偏参数反演的计算。

在本实施例中，可以假设经过样品后反射光斑的琼斯矩阵为 $\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\ψ}\\ \sin \mathrm{\ψ}\·\exp \left(i\mathrm{\Δ}\right)\end{array}\right],$ 利用琼斯矩阵对光束的传播进行推导，可得到未经过1/4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))，其中为劈角为θ的晶体斜劈引入的相位差，n_o与n_e分别为o光和e光的折射率差，x为晶体斜劈的横向位置坐标。由光强公式可以得出I₁只与晶体斜劈的横向位置坐标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，得到其中δx表示透过测试样品的光束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。较佳的，δx可通过图3中曲线的波峰或者波谷位置变化来进行计算得出。因此待测光的相位差可通过条纹的移动量与条纹间距的比值来获得。由此可见，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。例如采用1°的石英晶体劈，干涉形成的条纹间距约为5mm。若采用1000像素的相机采集该条纹，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。

在本实施例中，对于通过1/4波片的光路产生的干涉条纹对应的光强为：I₂(ψ,Δ,x)＝1/2+sin2ψcosΔcosγ(x)-2cos2ψsinγ(x)，由光强公式可以得出I₂同时与两个椭偏参量Δ和Ψ和位置坐标x有关。在测量出相差后，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，通过双折射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。单一入射波长的椭偏数据可以通过x方向的光强分析获得，而不同入射波长的椭偏数据对应的光强分布在y方向上，通过对干涉条纹位置的测量可以获得多入射波长偏振光的椭偏参数，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1kHz以上的高速面阵相机，则对应多组入射波长的椭偏参数测量的时间分辨率可达到毫秒量级。

本发明采用的基于双折射晶体斜劈的偏光干涉型多入射波长单发椭偏测量方法通过晶体斜劈引入的偏光干涉将待测光偏振态的变化转换成一维的亮暗条纹移动，进行椭偏参数的测量；而在通过设计光路在另外一个维度上实现多波长信息的分离，并采用面阵相机采用单次曝光的方式进行多组椭偏参数的同时测量。该方法测试过程中无机械旋转或光学器件调制器件即可实现多波长的椭偏测量，可以大幅测量速度；测量结果与光强波动无关，对椭偏参数测量的精度来自于条纹定位的精度和相机的像素的比值，可以减小系统测量误差，提高测量的稳定性。由于条纹定位算法简单，该方法的时间分辨主要由相机采集和反演算法决定。目前商业化的面阵工业相机的帧频可高达1MHz,时间分辨已经可以达到微秒量级，采用偏光干涉的方案可将椭偏测量的速度提高上千倍。随着近年工业相机领域的高速发展，该速度还将进一步大幅提高。由于偏振是光的基本特性,任何物理在反射和发射电磁辐射的过程中都会表现出由自身特性和光学基本定律所决定的偏振特性，随着椭偏测量时间分辨的提高，有望将快速椭偏仪应用于工业上的实时监测和对物理、生物和化学等微观领域的动态过程研究中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种多波长入射单发椭偏测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：提供宽光谱激光光源、宽带偏振片、样品、扩束镜、宽带1/4波片、晶体斜劈、宽带检偏器、狭缝，透射光栅、成像屏、面阵相机以及计算机；

步骤S2：选取一特定波长的宽光谱激光光源入射到样品上，所述宽光谱激光光源经过光轴45°放置的所述宽带偏振片起偏后得到一反射光入射到至所述样品上，所述反射光的偏振态与样品的光学参数有关，不同入射波长的反射光对应的的椭偏参数ψ和Δ不同；

步骤S3：所述扩束镜放置在所述样品的反射方向，所述反射光经所述扩束镜后形成放大的圆形光斑，所述圆形光斑的一部分经所述宽带1/4波片入射至所述晶体斜劈，所述圆形光斑的另一部分直接入射到所述晶体斜劈；所述圆形光斑由所述晶体斜劈射出后依次经所述宽带检偏器、横向放置的狭缝，形成包含宽光谱的长条形光斑，所述长条形光斑经过所述透射光栅后在竖直方向上多波长光谱分离，并在所述成像屏上形成多组分别对应不同入射波长的椭偏参数ψ和Δ的干涉条纹；

步骤S4：采用面阵相机对所述的干涉条纹同时进行采集，得到干涉条纹的光强数据；

步骤S5：对步骤S4中的光强数据进行滤波和除背景处理，得到不同波长入射光对应的波峰波谷位置，再与标准偏振光产生的波峰波谷位置进行对比，计算出样品的椭偏参数ψ和Δ；

步骤S6：结合椭偏方程，由所述步骤S5中的椭偏参数计算出样品的光学参数。

2.根据权利要求1所述的一种多波长入射单发椭偏测量方法，其特征在于：所述的晶体斜劈为劈角为θ的双折射晶体。

3.根据权利要求1所述的一种波长入射单发椭偏测量方法，其特征在于：所述步骤S4中具体包括以下步骤：

步骤S41：经过样品反射后形成的反射光的琼斯矩阵为

$\left[\begin{array}{c}cos\mathrm{\ψ}\\ sin\mathrm{\ψ}\·\exp \left(i\mathrm{\Δ}\right)\end{array}\right];$

步骤S42：利用步骤S41中的琼斯矩阵计算得到未经过所述宽带1/4波片形成的干涉条纹对应的光强为：

I₁(x,Δ)＝1/2+1/2sin2ψcos(Δ+γ(x))；

经过宽带宽1/4波片的光路产生的干涉条纹对应的光强为：

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

其中γ(x)为由劈角为θ的晶体斜劈引入的相位差，n_o与n_e分别为o光和e光的折射率差，x为晶体斜劈的横向位置坐标，ψ和Δ为椭偏参数，λ为波长。