CN1073696C - 一种红外双重富利埃变换的椭圆偏振光谱仪及其设计方法 - Google Patents

Abstract

已有的红外双重富利埃变换的椭圆偏振光谱仪设计方法均采用单只起偏器，并由检偏器作连续转动。本发明在既对波长又对偏振角作双重富利埃变换的同时，采用两个起偏器P_o和P，其中起偏器P_o固定，检偏器A与起偏器P采用2∶1系数同步旋转，可得到各波长的光强信号，通过双重富利埃变换求得对应于各波长的4个交流光强分量，就能以不同的组合自洽求出完整的椭偏参数。采用本发明制造的红外椭圆偏振光谱仪，具有数据自洽、准确、灵敏和实时快速的优点。

Description

一种红外双重富利埃变换的椭圆偏振光谱仪及其设计方法

本发明属于光学电子仪器

椭圆偏振光谱学原理在可见光谱区已有了成功的应用，但在红外光谱区的应用却被推迟了许多年，主要困难在于在红外区实验上所需要的高功率光源、高灵敏度光子探测器和光学元器件等条件都不易被满足。直到最近几年，随着红外富利埃光谱商用技术的成熟和推广，才使得红外富利埃椭偏光谱技术获得了研究、发展和应用。[参考文献：(1)．J.Kircher et al,J.Opt.Soc.Am.B 14,2153(1997)；(2)．M.Luttmann et al,thin solid films,313-314,631(1998)]。在上述设计中，采用了如下程式：

红外光源→红外富利埃变换→P→样品→A→探测器→数据富利埃变换→计算→红外光学常数谱结果。

其中，起偏器P被固定在某方位角，而检偏器作连续旋转。通过对光子波长和检偏角A作双重富利埃变换分析后，所得到光强信号为：I(λ)=I₀(λ)+I₁(λ)cos(2A)+I₂(λ)sin(2A)

=I_o(λ)+I_A(λ)cos[2A+θ(λ)]式中，各波长位置的I₀、I₁和I₂可通过双重富利埃变换分析得到： $I_0\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[{\∫}_0^{\∞}I\left(\mathrm{\δr}\right)\cos (2\mathrm{\π\δr}/\mathrm{\λ})\mathrm{d\δr}{]}_i$ $I_1\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{2}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left[{\∫}_0^{\∞}I\left(\mathrm{\δr}\right)\cos (2\mathrm{\π\δr}/\mathrm{\λ})\mathrm{d\δr}\right]}_i\cos \left({2A}_i\right)$ $I_2\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{2}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left[{\∫}_0^{\∞}I\left(\mathrm{\δr}\right)\cos (2\mathrm{\π\δr}/\mathrm{\λ})\mathrm{d\δr}\right]}_i\sin \left(2A_i\right)$ 式中，λ为光子波长，δr为光程差，A_i为检偏器的旋转角。

由于采用了双重富利埃分析的方法，有效克服了在红外区所遇到的弱光源、低灵敏度光子探测器和光学元器件等困难。近几年来，以该原理设计的红外富利埃椭圆偏振光谱仪已由美国的Woollam和法国的SOPRA等公司生产。

但该方法存在二个明显的缺点，一是需要测量直流成分I₀(λ)。在红外区，光源、环境温度和气氛质量的微小变化会造成直流成分的涨落，而对数据计算的测量精度带来影响，需要在实验中加以仔细校正，但不易做到，[参考文献：(3)．E.Wold et al,thinsolid films,313-314,649(1998)]。另一是系统定标十分繁琐和费时，[参考文献：(4)．D.E.Aspnes,J.Opt.Soc.Am.64,812(1974)]。因此在上述方法中实际测量到的信号为：I(λ)=[I₀(λ)+ΔI₀(λ)]+I_A(λ)cos[2A+θ(λ)+Δθ(λ)]式中ΔI₀(λ)为直流成分涨落引起的误差；Δθ(λ)为附加的相位误差，由检、起偏器的初始位置不确定及系统电子线路的相应引起。在红外区Δθ(λ)的随机涨落可达到±0.1°，将对数据的准确性造成影响。这些都需要在系统分析中给予校正，但不易被可靠、稳定和重复地做到，并且校正的程序繁琐。

本发明的目的是发明一种准确、灵敏、快速测量的红外双重富利埃变换的椭圆偏振光谱仪及其设计方法。本发明的设计原理为如下的程式：

红外光源→红外富利埃变换→起偏器P_o(固定)→起偏器P(旋转)→样品→检偏器A(旋转)→探测器→数据富利埃变换→计算→红外光学常数谱结果。

红外光源通过一个迈克逊富利埃干涉仪，再经过起偏器P_o和起偏器P，以一定的入射角到样品上，入射角一般为20°～90°，光被反射后再经过检偏器A由探测器接收，最后的信号经AD转换后被计算机作富利埃分析和处理，并计算出相应的光学常数。上述程式中，P_o固定为零度(相对与入射面)，检偏器A和起偏器P采用2∶1系数同步旋转。旋转方式是：当A每转一个分步角度A_i时(P_i=A_i/2)，便对光强作一次和多次富利埃变换，取平均后获得与该角度对应的光强随波长分布的光谱，即获得在A_i位置的光强I(λ)_i谱。当在A的旋转周期中完成了各光强I(λ)_i谱的测量后，再通过计算机在每一波长位置对光强I(λ)_i谱随A_i的变化作富利埃分析，便能在全波长范围内快速求得与各波长对应的各光强分量。

在S(垂直于入射面)和P(平行于入射面)的坐标系中，以S轴为参照系，设置P_o=0，并且P和A同步旋转，A=2P，因此，最后随检偏角变化的出射光强为：I(λ)=I₀(λ)+I₁(λ)cos(A)+I₂(λ)cos(2A)+I₃(λ)cos(3A)+I₄(λ)cos(4A)式中， $I_o=\mathrm{\η}\frac{1}{4}(7+3{\mathrm{\ρo}}^2+2\mathrm{\ρ}o\cos \mathrm{\Δ})$ I₁=η(3+ρocosΔ)I₂=η(2-ρo²)I₃=η(1-ρo cosΔ) $I_4=\mathrm{\η}\frac{1}{4}(1+{\mathrm{\ρo}}^2-2\mathrm{\ρ}o\cos \mathrm{\Δ})$ 可得到： $\mathrm{\ρo}={\left[\frac{2(I_1+I_3-2I_2)}{I_1+I_3}\right]}^{1/2}$ (1) $\cos \mathrm{\Δ}=\frac{I_1-3I_3}{{[2(I_1+I_3)(I_1+I_3-2I_2)}^{1/2}}$ 或者 $\mathrm{\ρo}={\left[\frac{9(I_1+I_3-2I_2)}{2({2I}_1+I_2+{4I}_4)}\right]}^{1/2}$ (2) $\cos \mathrm{\Δ}=\frac{3(I_1+I_3)-4(I_2+4I_4)}{{[8(I_1+I_3)(I_1+I_3-2I_2)}^{1/2}}$ 式中，η为比例系数，ρ_o和Δ为椭偏参数，定义为：ρ=ρoe^iΔ因此，在红外区的光学复介电函数ε=ε₁+iε₂可被计算出： $\mathrm{\ϵ}={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\α}}\[{\sin }^2\mathrm{\φ}+{\sin }^2\mathrm{\φ}{\tan }^2\mathrm{\φ}{(\frac{1-\mathrm{\ρ}}{1+\mathrm{\ρ}})}^2\]$ 进而得到其他光学常数，如复折射率N、吸收系数α和反射率R等：ε=N²,N=n+ik,ε₁=n²-k²,ε₂=2nk $\mathrm{\α}=\frac{4\mathrm{\πK}}{\mathrm{\λ}},R=\frac{{(n-1)}^2+k^2}{{(n+1)}^2+k^2}$ 上述式(1)和(2)可分别用于计算椭偏参数，可精确地检验系统在红外区的数据的自洽性。同时，当p=A=0，光强为最大，当p=90°，A=0时，光强为最小，可很容易根据这些条件对系统进行定标。由于在计算椭偏参数时，避免了测量直流分量，因此有效消除了在红外区因光强、温度和气氛涨落造成的影响。同时，在各交流光强分量中，仅包含cos(kA)的项，而不包含sin(kA)的项，(k=1,2,3,4)，因此，在定标过程中，P和A初始位置的微小不确定性(±0.1°)对cos(kA)各项强度测量的影响可被忽略不计。另外，在某些应用场合，如利用同步辐射红外光源，其出射光是高度偏振性的，并与入射面垂直。因此，P_o、P和A与入射面垂直的初始条件可使光强信号得到充分利用，而避免了对实验系统作任何物理倾斜式调整的困难。

本发明设计方法在实施例中已详细描述。

利用本方法设计的双重富利埃变换的椭圆偏振光谱仪的特点为：系统实现自我定标，定标概念清楚，程序简单，尤其在红外区的实施更是简便易行。系统实现双重富利埃分析，既对波长又对偏振角作富利埃分析，显著提高了红外区的椭偏数据信噪比质量，并将检偏器和起偏器2∶1的旋转方式结合进了上述测量程式，从而有效克服了红外椭偏参数测量和分析中所遇到的如需要准确测量直流信号成分和位相角等的困难。在设计中，入射角连续可变，分辨率优于0.01°。数据自动采集、分析和计算。系统实现了绝对定标、数据自洽和快速测量的目的，自洽度优于0.5％。系统对红外椭偏参数的测量具有准确、灵敏和实时快速的优点。

本方法的实施方案如下：

由黑体辐射提供的红外光源通过一个迈克逊富利埃干涉仪，出射光被准直后经过起偏器P_o和起偏器P，以一定的入射角到样品上，光被反射后再经过检偏器A由探测器接收，最后的信号经AD转换后被计算机作富利埃分析和处理，并计算出相应的光学常数。在设计中，P_o固定并垂直于入射面，P和A的初始位置也与入射面垂直。检偏器A和起偏器P采用2∶1系数同步旋转。旋转方式：当A每转一个分步角度A_i时(P_i=A_i/2)，便对光强作一次和多次富利埃变换，取平均后获得与该角度对应的光强随波长分布的光谱，即获得在A_i位置的光强I(λ)_i谱。当在A的旋转周期中完成了各光强I(λ)_i谱的测量后，再通过计算机在每一波长位置对光强I(λ)_i谱随A_i的变化作富利埃分析，便能在全波长范围内快速求得与各波长对应的各光强分量。

Claims (2)

1、一种红外双重富利埃变换的椭圆偏振光谱仪，有红外光源经红外富利埃变换出射光被准直后经起偏器和样品，光被反射后再经检偏器和探测器接受最后的信号，由计算机通过A/D转换处理和分析，其特征在于入射光被准直后经过两个起偏器P₀和P，其中固定的起偏器P₀垂直于入射面，由样品反射的光经过检偏器A，旋转的检偏器A与旋转的起偏器P的初始方位角与固定的起偏器P₀重合，旋转的检偏器A与旋转的起偏器P采用2∶1系数同步旋转。

2、一种红外双重富利埃变换的椭圆偏振光谱仪的设计方法，其特征在于红外光源经过红外富利埃变换，出射光经过准直后经过起偏器P₀和起偏器P，入射到样品，光被反射后经检偏器A由探测器接受，起偏器P₀固定并垂直于入射面，检偏器A和起偏器P采用2∶1同步旋转，起偏器P和检偏器A的初始位置与入射面垂直，对光子波长和检偏器作双重富利埃变换，探测器接受信号后经A/D转换，由计算机作富利埃处理，其中得各波长光强信号是：I(λ)=I_o(λ)+I₁(λ)cos(A)+I₂(λ)cos(2A)+I₃(λ)cos(3A)+I₄(λ)cos(4A)式中，与波长对应的直流分量为： $I_o\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[{\∫}_0^{\∞}I\left(\mathrm{\δr}\right)\cos (2\mathrm{\π\δr}/\mathrm{\λ})\mathrm{d\δr}{]}_i$ 式中，与波长对应的各交流分量的光强信号为： $I_k\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{2}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[{\∫}_0^{\∞}I\left(\mathrm{\δr}\right)\cos (2\mathrm{\π\δr}/\mathrm{\λ})\mathrm{d\δr}{]}_i\cos \left({\mathrm{kA}}_i\right)$ ,k=1,2,3,4通过各交流分量的自洽组合求得椭偏参数。