CN108519335A - 一种基于弹光调制的光谱椭偏测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及领域椭偏测量方法及仪器设备技术领域，更具体而言，涉及一种基于弹光调制的光谱椭偏测量装置及方法，该光谱椭偏测量装置及方法是基于45°双驱动对称结构弹光偏振调制和FPGA的弹光驱动控制及数据信号处理技术实现的。复色光源经单色仪输出准单色光后，经过光速整形及准直，通过起偏器、待测样品、弹光调制器，最后经检偏器出射，并被光电倍增管探测接收。在FPGA单元中实现调制光信号倍频项的同相分量和正交分量解调，并传入控制电脑。该光谱椭偏测量装置无需机械调节，测量速度快，精度和灵敏度较高、便于自动化控制，能够为椭偏测量技术相关领域提供新理论和新方法。

Description

一种基于弹光调制的光谱椭偏测量装置及方法

技术领域

本发明涉及领域椭偏测量方法及仪器设备技术领域，更具体而言，涉及一种基于弹光调制的光谱椭偏测量装置及方法。

背景技术

椭偏测量技术通过对偏振光入射样品前后偏振态变化的测量，能够实现薄膜样品的光学常数(折射率n，消光系数k)、薄膜结构、粗糙度及厚度等参数测量分析。在光学窗口镀膜、微电子、光伏太阳能电池、半导体材料和光电显示等领域获得了广泛应用，并被逐渐在生命科学、纳米科技、新材料技术等高新技术领域展现出应用潜力。随着科学技术探索的深入，不同学科的交叉与融合，椭偏测量技术在材料的物理相变过程探索，生物分子互作用过程观测，原子层沉积、分子自组装等纳米薄膜的膜厚监控，磁性薄膜材料的磁光性质表征等方面具有十分重要的研究意义和应用潜力。但与此同时，这些新应用对椭偏仪的测量速度、测量灵敏度和仪器设备的自动化程度等性能参数提出了越来越高的要求。

已经研制成功的旋转偏振元件的椭偏仪，主要有旋转偏振片型和旋转补偿器型，均具有结构简单，仪器成本低等优点。但旋转偏振片型椭偏仪的椭偏参量Δ测量范围限制在0°-180°，并且当Δ在0°或180°附近时，测量精度降低。旋转补偿器型椭偏仪能够实现椭偏参量Ψ和Δ的全范围测量，并结合光谱测量技术，该类型椭偏仪获得了很好的应用，并成功商业化，是现阶段的主流椭偏分析仪器。但无论是旋转偏振片型椭偏仪，还是旋转补偿器型椭偏仪，测量速率受限于步进电机的旋转速率，单次测量时间均在秒量级，无法实现高速的椭偏测量；并且机械旋转偏振元件会引起光束平移，系统稳定性降低，使得测量精度得不到保证。弹光调制型椭偏仪，具有测量快速、灵敏度高等应用优势，是高速椭偏测量技术的一个重要发展方向，但由于传统PEM使用过程中快轴固定，无法实现检测光偏振态的完全分析，进而应用单个PEM的椭偏仪无法实现椭偏参量的全范围测量。

发明内容

为了克服现有技术中所存在的不足，本发明基于45°双驱动对称结构弹光调制的优异偏振调制性能，并结合光谱测量技术，提供一种基于45°双驱动对称结构弹光调制的光谱椭偏测量装置及方法，在较宽光谱范围内，实现椭偏参量的高速、高灵敏、全范围测量，便于自动化控制。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种基于弹光调制的光谱椭偏测量装置，该装置包括复色光源、单色仪、光束准直系统、椭偏测量系统和信号处理及控制系统，所述椭偏测量系统包括起偏器、样品台、弹光调制器、检偏器、光电倍增管，所述信号处理及控制系统包括信号采集及数据处理单元和控制电脑，所述复色光源、单色仪、光束准直系统、起偏器、样品台、弹光调制器、检偏器、光电倍增管沿入射光路依次设置，所述信号采集及数据处理单元设置在光电倍增管后，用来将电信号转化为数字信号并输入控制电脑，并触发单色仪同时工作。

所述复色光源为氙灯和/或卤钨灯光源。注重紫外光波段的材料特性参数，选择用氙灯光源；注重近红外光波段的材料特性参数，选择用卤钨灯光源；并且两种光源联合使用能够将椭偏测量装置的光谱范围覆盖紫外光到近红外光波段。

所述弹光调制器为45°双驱动对称结构，包括两个压电驱动器，一个弹光晶体和LC谐振高压驱动电路，具体为两个成45°角的压电驱动器驱动同一个弹光晶体工作，两个压电驱动器提供驱动幅值一致的驱动电压，使两个压电驱动器在弹光晶体中的应力幅值相等。

所述弹光调制器弹光调制的相位延迟量通过驱动电压调节为π/2，近似为1/4波片。弹光调制器工作在纯行波模式下，其相位延迟量为π/2，两驱动信号之间相位相差为π/2，调制快轴以弹光调制器谐振频率半频做圆周运动，实现了旋转1/4波片的偏振调制功能。

所述电信号数据采集单元包括AD采集单元和FPGA。

一种基于弹光调制的光谱椭偏测量的方法，包括以下步骤：

S1、复色光源发出复色光，经单色仪输出为准单色光，一般准单色光的光谱带宽约为10nm。根据应用光谱范围选择宽光谱复色光源，氙灯光源的光谱范围为190nm-1500nm，卤钨灯光源的光谱范围为320nm-2500nm；

S2、S1中准单色光出射至光束准直系统进行光束准直整形；

S3、S2中准直光束经起偏器透光轴方向入射至起偏器获得线偏振光；

S4、S3中线偏振光入射至样品台上样品，经样品不同介质相互作用界面反射或透射，最终使偏振光经测量样品反射后的偏振态发生改变，变为椭圆偏振光；

S5、S4中椭圆偏振光入射到采用45°双驱动对称结构的弹光调制器，并且选择该弹光调制器工作在纯行波偏振调制模式，忽略检测激光传播过程中的光损失，经检偏器出射，进入光电倍增管，调制光信号转换成电信号；

S6、S5中电信号进入电信号数据采集单元，经信号采集及数据处理单元的AD采集后变为数字信号，并在信号采集及数据处理单元的FPGA进行并行运算处理，提取一倍频项和二倍频项的同相分量和正交分量；

S7、控制电脑接收FPGA传输上来的倍频项数据解调出每个波长准单色光入射的椭偏参量Ψ和Δ，并在控制电脑中将准单色光中心波长与对应的椭偏参量存储显示。

所述S1中单色光采用光纤引导输出。

所述起偏器的透光轴方位角设置在45°方向。

所述检偏器的透光轴方位角设置在0°方向。

所述控制电脑分别建立与FPGA和单色仪的通信，并且单色仪和FPGA均由电脑控制工作，同时当45°双驱动弹光调制器工作时触发单色仪工作，控制电脑根据调制光信号处理的积分时间一一对应单色仪的准单色光的扫描频率，并且单色仪将每次扫描的准单色光中心波长数据传输到控制电脑，与得到的椭偏参量Ψ和Δ一一对应存储显示，在控制电脑中建立薄膜模型，结合光谱椭偏参量，采用数值反演算法实现薄膜光绪常数和薄膜结构及厚度等参数分析，使整个光谱椭偏测量系统在计算机中完成自动化集成控制。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

1)本发明的光谱椭偏测量装置及方法是建立在先进偏振分析基础上的，采用45°双驱动对称结构弹光调制技术实现检测光的偏振变化测量。该弹光调制器工作在纯行波偏振调制模式，克服了机械旋转偏振元件型椭偏仪存在光速漂移，测量速度慢，系统稳定性差等缺陷，该光谱椭偏测量装置无需机械调节，测量速度快，精度和灵敏度较高、便于自动化控制；

2)本发明将快速光谱测量技术与45°双驱动对称结构弹光调制技术结合，实现每个光谱通道下入射光经样品反射后的偏振态变化测量，进而快速获得较宽光谱范围内的椭偏参量数据。利用宽光谱椭偏参量数据能够对多层薄膜的膜层结构、光学常数、薄膜厚度等实现较快的分析，有利于在原子沉积、分子自组装和材料相变等快速物理过程监测；

3)本发明采用的45°双驱动对称结构弹光调制器和应用于光谱测量的单色仪工作控制采用同一个FPGA控制，并且检测的光信号利用数字锁相技术也在该FPGA中完成数据解调。不尽能够实现系统的自动化控制，还有利于系统的工业化集成，最终设计出数据实时处理、设备便于自动控制的高端光谱椭偏测量仪器，同时具备快速、高灵敏、全范围、测量能力的光谱椭偏测量装置及方法，能够为椭偏测量技术相关领域提供新理论和新方法。

附图说明

图1为基于45°双驱动对称结构弹光调制的光谱椭偏测量装置结构示意图

图中：1为复色光源；2为单色仪；3为光束准直系统；4为起偏器；5为样品台；6为弹光调制器；7为检偏器；8为光电倍增管；9为信号采集及数据处理单元；10为控制电脑。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明涉及一种基于45°双驱动对称结构弹光调制的光谱椭偏测量装置及方法，该装置包括复色光源1、单色仪2、光束准直系统3、起偏器4、样品台5、弹光调制器6、检偏器7、光电倍增管8、电信号数据采集单元9和控制电脑10。

氙灯或者卤钨灯等复色光源1发出的复色光，经单色仪2后变为准单色光出射，一般准单色光的光谱带宽约为10nm。根据应用光谱范围选择宽光谱复色光源，氙灯光源的光谱范围为190nm-1500nm，卤钨灯光源的光谱范围为320nm-2500nm。因此，注重紫外光波段的材料特性参数，选择用氙灯光源；注重近红外光波段的材料特性参数，选择用卤钨灯光源；并且两种光源联合使用能够将椭偏测量装置的光谱范围覆盖紫外光到近红外光波段。复色光经单色仪2输出准单色光，该单色光采用光纤引导输出，并经准直系统3进行光束整形并准直入射椭偏测量系统。首先，准单色光经透光轴方位角在45°方向的起偏器4变为45°方向的线偏振光入射样品，并且，该45°方向的线偏振光可用Stokes参量表述为：

S_in＝I₀[1 0 1 0]^T (1)

其中，I₀表示准单色光通过起偏器4后的总光强。

45°方向的线偏振光入射样品后，经样品不同介质相互作用界面反射或透射，最终使偏振光经测量样品反射后的偏振态发生改变，而变为椭圆偏振光。该椭圆偏振光表现为与入射面平行的—p偏振光分量和与入射面垂直的—s偏振光分量，不仅幅值大小发生变化，而且两个偏振光分量之间产生一个相位差。因此，对于标准的椭偏测量引入Ψ和Δ两个椭偏参量，并结合p和s偏振光分量的反射系数之比ρ，表述为：

其中，rp和rs分别表示p和s偏振光分量的Fresnel反射系数；Ψ为p和s偏振光分量的幅值比，取值范围为(0-90°)；Δ为p和s偏振光的相位差，取值范围为(-180-180°)。实际上，Ψ和Δ是椭偏仪能够直接测量出的两个参量。薄膜样品的光学常数和膜厚等参数需利用直接测量得到的Ψ和Δ，结合Fresnel反射和透射模型求解或拟合得出。待测薄膜样品的偏振特性可用Mueller矩阵描述为：

其中，N＝cos2ψ，S＝sin2ψsinΔ，C＝sin2ψcosΔ。通过不同的方法分析线偏振光的偏振态变化，能够实现对样品对应椭偏参量测量。

在本实施例中，采用45°双驱动对称结构弹光调制器6，并且选择该弹光调制器6工作在纯行波模式。为两个压电驱动器提供驱动幅值一致的驱动电压，使两个压电驱动器在弹光晶体中的应力幅值相等，并且两驱动信号之间相位相差为π/2，这样便能够使45°双驱动对称结构弹光调制器6工作在纯行波偏振调制模式：纯行波偏振调制模式下，调制幅值为一常量，而弹光调制快轴以弹光调制器6谐振工作频率的一半做圆周运动。工作在该模式的45°双驱动对称结构弹光调制器6非常类似旋转的波片或者补偿器，但是该模式弹光调制不存在机械旋转部件，快轴的旋转频率非常高，一般为几十千赫兹。并且在该发明中，将弹光调制的相位延迟量通过驱动电压调节为π/2，近似为1/4波片。所以，纯行波偏振调制模式下，45°双驱动对称结构弹光调制的偏振调制特性可用Muller矩阵描述为：

上述系统运用Stokes参量和Mueller矩阵传输的分析方法，较为直观方便。忽略检测激光传播过程中的光损失，经检偏器7出射后，出射光的Stokes参量为：

S_out＝M_AM_PEMM_SS_in (5)

将(1)式、(3)式和(4)式并结合检偏器7的Muller矩阵带入(6)式，其中检偏器7的透光轴方位角设置在0°方向上。所以，0°检偏器7的Mueller矩阵可表示为：

将上式，结合(1)式、(3)式和(4)式带入式(5)，探测器能够探测到总光强，该总光强出射光Stokes矢量S_out的第一分量，因此探测器探测到的总光强I可表示为：

该调制光信号，经采集单元AD转化为数字量I_(k)输入计算机中完成数字锁相倍频信号。设AD的采样频率为f_s，则一个周期内基频信号采样点数为Q＝f_s/f₀(Q≥3)，因此，q个周期内对输入信号进行采样，得到总的信号采样点数为M＝Q×q。经AD转换的数字信号I_(k)表示为：

其中，K为探测器的光电转换系数。数字信号分别I_(k)与FPGA产生的一倍频正弦参考和余弦参考相乘，并累加求和，其余的交流信号被消除，并得到一倍频项的同相分量和正交分量：

其中，为一倍频信号与一倍频参考信号之间的相位差，该相位能够精确定标得出。同理，将数字信号序列与二倍频正余弦参考和相乘，并累加求和可得二倍频项的同相分量和正交分量：

结合(9)式和(10)式。可解调得到两个椭偏参量为：

因此，通过采用45°双驱动对称结构弹光调制的偏振分析方法，能够获得复色光源宽光谱范围内每个准单色光照射下样品的椭偏参量。

在获得每个准单色光对应的样品椭偏参量后，建立一个合适的薄膜结构模型(n_(i)，k_(i)，d_(i))，其中i表示第i层薄膜，n，k和d分别表示膜层的折射率、消光系数和薄膜厚度。每一层薄膜选择合适的色散模型(比如Sellimeier模型，Cauchy模型，Lorentz模型，Drude模型，EMA模型等)。然后，用这个薄膜结构模型体系模拟的椭偏参量Ψ^cal和Δ^cal，与测量结果进行比较。并利用最小二乘数值反演算法，确定薄膜待测参数：

其中，X为迭代次数，m代表第m次迭代。通过不断迭代，优化薄膜结构模型(n_(i)，k_(i)，d_(i))，建立最小二乘评价函数。当均方根误差χ达到最小值时，可以认为建立的薄膜模型与真实薄膜结构接近，并将该最优模型薄膜的参数(n，k，d)输出。

在本实施例中，信号采集及数据处理单元9的FPGA控制45°双驱动对称结构弹光调制器6工作，并触发单色仪2同时工作。控制电脑10分别建立与FPGA和单色仪2的通信，并且单色仪2和FPGA均由电脑10控制工作，控制电脑10接收FPGA传输上来的倍频项数据完成每个准单色光波长下椭偏参量的存储和显示，这样能够使得每个准单色光的椭偏参量一一对应测量，使整个光谱椭偏测量系统在计算机中完成自动化集成控制，最后利用光谱椭偏测量数据求解出薄膜样品参数。

该椭偏测测量装置的检测光波长能够通过控制电脑设置，即能够实现单个波长的椭偏测量，也能够实现某个光谱带宽内的椭偏测量，并且在控制电脑中编制程序建立薄膜样品膜层模型，结合测量得到的光谱椭偏参量，并采用最小二乘拟合方法进行数值反演，最后拟合求解出薄膜光学常数(n，k)和厚度(d)等参数。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于弹光调制的光谱椭偏测量装置，其特征在于，该装置包括复色光源(1)、单色仪(2)、光束准直系统(3)、椭偏测量系统和信号处理及控制系统，所述椭偏测量系统包括起偏器(4)、样品台(5)、弹光调制器(6)、检偏器(7)、光电倍增管(8)，所述信号处理及控制系统包括信号采集及数据处理单元(9)和控制电脑(10)；所述复色光源(1)、单色仪(2)、光束准直系统(3)、起偏器(4)、样品台(5)、弹光调制器(6)、检偏器(7)、光电倍增管(8)沿入射光路依次设置，所述信号采集及数据处理单元(9)设置在光电倍增管(8)后，用来将光电倍增管(8)探测到的调制光信号转换为数字信号，并进行数据处理，最后将数据处理结果输入控制电脑(10)，并触发单色仪(2)同时工作。

2.根据权利要求1所述的一种基于弹光调制的光谱椭偏测量装置，其特征在于：所述复色光源为氙灯和/或卤钨灯光源。

3.根据权利要求1所述的一种基于弹光调制的光谱椭偏测量装置，其特征在于：所述弹光调制器(6)为45°双驱动对称结构弹光调制器。

4.根据权利要求1所述的一种基于弹光调制的光谱椭偏测量装置，其特征在于：所述弹光调制器(6)弹光调制的相位延迟量通过驱动电压调节为π/2，调制快轴以弹光调制器谐振频率的一半做圆周运动。

5.根据权利要求1所述的一种基于弹光调制的光谱椭偏测量装置，其特征在于：所述信号采集及数据处理单元(9)包括AD采集单元和FPGA。

6.一种基于弹光调制的光谱椭偏测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、复色光源(1)发出复色光，经单色仪(2)输出为准单色光；

S2、S1中准单色光出射至光束准直系统(3)进行光束准直整形；

S3、S2中准直光束经起偏器(4)后获得线偏振光；

S4、S3中线偏振光入射至样品台(5)上样品，经样品不同介质相互作用界面反射或透射，变为椭圆偏振光；

S5、S4中偏振光入射至45°双驱动对称结构弹光调制器(6)，并且选择该弹光调制器工作在纯行波模式，经检偏器(7)出射，进入光电倍增管(8)，调制光信号被转换成电信号；

S6、S5中电信号进入信号采集及数据处理单元(9)，经AD采集后变为数字信号，并在FPGA进行并行运算处理，提取出一倍频项和二倍频项的同相分量和正交分量；

S7、控制电脑(10)接收FPGA传输上来的倍频项数据解调出每个波长准单色光入射的椭偏参量Ψ和Δ，并在控制电脑(10)中将准单色光中心波长与对应的椭偏参量存储显示。

7.根据权利要求6所述的一种基于弹光调制的光谱椭偏测量的方法，其特征在于：所述S1中单色光采用光纤引导输出。

8.根据权利要求6所述的一种基于弹光调制的光谱椭偏测量的方法，其特征在于：所述起偏器(4)的透光轴方位角设置在45°方向。

9.根据权利要求6所述的一种基于弹光调制的光谱椭偏测量的方法，其特征在于：所述检偏器(7)的透光轴方位角设置在0°方向。

10.根据权利要求6所述的一种基于弹光调制的光谱椭偏测量的方法，其特征在于：所述控制电脑(10)分别建立与FPGA和单色仪(2)的通信，并且单色仪(2)和FPGA均由电脑(10)控制工作，同时当45°双驱动弹光调制器(6)工作时触发单色仪(2)工作，控制电脑(10)根据调制光信号处理的积分时间一一对应单色仪(2)的准单色光的扫描频率，并且单色仪(2)将每次扫描的准单色光中心波长数据传输到控制电脑(10)，与得到的椭偏参量Ψ和Δ一一对应存储显示。