CN112945864A - 一种基于双快轴可调弹光调制的广义椭偏分析装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于本发明属于广义椭偏分析方法及仪器设备技术领域，具体涉及一种基于双快轴可调弹光调制的广义椭偏分析装置，所述准直光源的光路方向上依次设置有偏振发生器、样品夹具，所述样品夹具上固定有待测样品，所述样品夹具的底部与仪器旋转台转动连接，所述待测样品的光路方向上依次设置有偏折分析器、光谱测量系统，所述光谱测量系统通过导线连接有控制电脑PC，所述控制电脑PC连接有弹光调制系统控制模块，所述弹光调制系统控制模块分别与偏振发生器、偏折分析器连接。本发明无需机械调节，并且本发明快速、准确，能够为偏振测量相关领域提供新装置和新方法。本发明用于广义椭偏分析。

Description

一种基于双快轴可调弹光调制的广义椭偏分析装置
技术领域
本发明属于广义椭偏分析方法及仪器设备技术领域，具体涉及一种基于双快轴可调弹光调制的广义椭偏分析装置。
背景技术
传统椭偏测量技术通过对偏振光入射样品前后偏振态变化分析测量，实现典型均匀样品光学常数和样品在纳米量级的厚度测试分析。目前，已经研制出旋转检偏器、旋转补偿器和相位调制型等多种类型的椭偏仪，并获得成功商业化，其中，旋转检偏器型椭偏仪仪器结构最为简单、价格低，但该类型仪器能够测量的椭偏分量的相位差Δ测量范围不超过0°-180°，并且当Δ在0°或180°附近时，测量精度低。旋转补偿器型椭偏仪在检测臂中插入一个宽光谱消色差1/4波片，实现椭偏分量幅值比Ψ和相位差Δ的全范围测量，能够实现单层薄膜、多层薄膜的光学常数、膜厚分析测量，是目前市场上主流的商业化椭偏仪产品。相位调制型椭偏仪，采用液晶可变相位延迟器、弹光调制器等高速相位调制器件为核心，建立了快速、高灵敏的椭偏分析测量技术，但受限于研制成本，该类型椭偏测量装置多为科研院所搭建的实验系统。
但随着微电子、纳米科技、新能源和生命科学等领域的进步，不同科学技术领域的交叉与融合，需要开发新型椭偏测量技术及装置应用于纳米新材料的光学常数测量、原子层沉积、分子自组装纳米膜膜厚监控、材料的物理相变过程探索、生物分子互作用过程观测、集成光子芯片薄膜的散射和退偏效应研究等。得力于旋转补偿器型椭偏仪的商业化，研究者们在椭偏仪的入射臂中同样插入一个补偿器，建立了旋转双补偿器型的广义椭偏测量装置，能够同时实现描述样品偏振特性的穆勒Muller矩阵的16个元素测量分析，但该类型广义椭偏测量装置需要采用步进电机机械旋转补偿器，旋转补偿器容易导致测量光束在测量过程中平移，使得样品偏振特性测量精度不高，此外旋转的电机测量速度有限，测量时间一般在秒量级，无法实现快速测量。
发明内容
针对上述现有的广义椭偏测量装置需要采用步进电机机械旋转补偿器，旋转补偿器容易导致测量光束在测量过程中平移，使得样品偏振特性测量精度不高的技术问题，本发明提供了一种测量精度高、效率高、覆盖范围广的基于双快轴可调弹光调制的广义椭偏分析装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于双快轴可调弹光调制的广义椭偏分析装置，包括准直光源、偏振发生器、样品夹具、仪器旋转台、偏折分析器、光谱测量系统、弹光调制系统控制模块和控制电脑PC，所述准直光源的光路方向上依次设置有偏振发生器、样品夹具，所述样品夹具上固定有待测样品，所述样品夹具的底部与仪器旋转台转动连接，所述待测样品的光路方向上依次设置有偏折分析器、光谱测量系统，所述光谱测量系统通过导线连接有控制电脑PC，所述控制电脑PC连接有弹光调制系统控制模块，所述弹光调制系统控制模块分别与偏振发生器、偏折分析器连接。
所述偏振发生器包括起偏振器、第一弹光调制器，所述准直光源的光路方向上依次设置有起偏振器、第一弹光调制器。
所述偏折分析器包括第二弹光调制器、检偏器，所述待测样品的光路方向上依次设置有第二弹光调制器、检偏器。
所述第一弹光调制器、第二弹光调制器均采用快轴可调弹光调制器，快轴可调弹光调制器工作在纯行波模式，无机械旋转情况下便能实现快轴较高频率旋转，所述第一弹光调制器、第二弹光调制器的旋转频率设置在40～100kHz。
所述偏振发生器、样品夹具和偏折分析器围绕仪器旋转台进行旋转调，所述偏振发生器入射待测样品的入射角为0°到90°，满足待测样品的透射特性和反射特性参数的广义椭偏分析测试。
所述光谱测量系统在可见光、近红外光谱通道信号测量设置光栅光谱测量系统，所述光谱测量系统在短波红外和中波红外光谱通道信号测量设置傅里叶变换光谱测量系统。
所述第一弹光调制器、第二弹光调制器的快轴旋转频率比为5:3，以保证每个频率成分携带独立Muller矩阵元素。
经光谱测量系统输出的每个光谱测量通道的调制光信号在控制电脑PC中完成不同频率成分的傅里叶系数分析，最终求解出样品的Muller矩阵16个元素，利用测量获得的Muller矩阵元素进一步反演分析样品光学常数、薄膜厚度、强度特性、二向衰减特性、退偏振和相位延迟特性、非偏振转换特性参数，进而实现样品的广义椭偏分析。
所述弹光调制系统控制模块包括信号发生FPGA单元、第一电压放大单元电路、第二电压放大单元电路，所述信号发生FPGA单元分别与第一电压放大单元电路、第二电压放大单元电路连接，所述信号发生FPGA单元连接有控制电脑PC，所述第一电压放大单元电路、第二电压放大单元电路分别连接有第一弹光调制器、第二弹光调制器。
所述准直光源采用激光、单色仪光源、短弧氙灯、卤钨灯、溴钨灯、碳化硅或氮化硅光源，所述准直光源的光谱范围覆盖紫外、可见光、近红外、短波红外和中波红外，所述准直光源的光谱范围为190nm-5000nm。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
1、本发明是建立在运用快轴可调弹光调制的先进偏振分析基础上的，本发明的以快轴可调弹光调制是偏振态发生装置及偏振分析装置构建，快轴弹光调制工作在纯行波偏振调制模式，相位延迟量为一定值，调制轴以弹光调制半频高速旋转，克服了传统机械旋转补偿器造成的测量速率低、检测光束漂移等缺陷，保证了测量的精度和效率。
2、本发明偏振发生器、样品夹具和偏折分析器能够以样品台为轴心绕竖直方向灵活旋转调节角度，经偏振发生器进行偏振态发生后的检测光能够在0°到90°较大范围内入射样品，经样品反射或透射的检测光经出射臂进行偏振分析后反演获得样品膜厚、膜层结构、光学常数、散射和退偏等参数测量，本发明不仅能够测量反射样品，也能够测量透射样品，入射角能够在全范围内设置，不仅能够适用于金属、半导体、介质等常规材料薄膜样品测量，也能够满足光子晶体、超构材料、超构表面等新型材料薄膜样品测量。
3、本发明的光源可以根据应用需求采用激光、单色仪光源等准单色光源，也可采用短弧氙灯、卤钨灯、溴钨灯、碳化硅或氮化硅光源，光谱范围可覆盖紫外、可见光、近红外、短波红外和中波红外；光谱测量系统可采用光栅分光光谱测量系统、傅里叶变换红外光谱测量系统。本发明能够很好的与单色光源或宽光谱光源系统结合，也能够应用光栅分光光谱测量系统或傅里叶变换红外光谱测量系统获得不同光谱通道的广义椭偏参数测量，利于系统的工业自动化集成，能够为高端椭偏分析测量仪器研制提供新理论和新方法。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中：1为准直光源，2为偏振发生器，3为样品夹具，4为仪器旋转台，5为偏折分析器，6为光谱测量系统，7为弹光调制系统控制模块，8为控制电脑PC，201为起偏振器，202为第一弹光调制器，501为第二弹光调制器，502为检偏器，701为信号发生FPGA单元，702为第一电压放大单元电路，703为第二电压放大单元电路。
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。
一种基于双快轴可调弹光调制的广义椭偏分析装置，如图1所示，包括准直光源1、偏振发生器2、样品夹具3、仪器旋转台4、偏折分析器5、光谱测量系统6、弹光调制系统控制模块7和控制电脑PC8，准直光源1的光路方向上依次设置有偏振发生器2、样品夹具3，样品夹具3上固定有待测样品，样品夹具3的底部与仪器旋转台4转动连接，待测样品的光路方向上依次设置有偏折分析器5、光谱测量系统6，光谱测量系统6通过导线连接有控制电脑PC8，控制电脑PC8连接有弹光调制系统控制模块7，弹光调制系统控制模块7分别与偏振发生器2、偏折分析器5连接。
进一步，偏振发生器2包括起偏振器201、第一弹光调制器202，准直光源1的光路方向上依次设置有起偏振器201、第一弹光调制器202。
进一步，偏折分析器5包括第二弹光调制器501、检偏器502，待测样品的光路方向上依次设置有第二弹光调制器501、检偏器502。
进一步，第一弹光调制器202、第二弹光调制器501均采用快轴可调弹光调制器，快轴可调弹光调制器工作在纯行波模式，无机械旋转情况下便能实现快轴较高频率旋转，第一弹光调制器202、第二弹光调制器501的旋转频率设置在40～100kHz。
进一步，偏振发生器2、样品夹具3和偏折分析器5围绕仪器旋转台5进行旋转调，偏振发生器2入射待测样品的入射角为0°到90°，满足待测样品的透射特性和反射特性参数的广义椭偏分析测试。
进一步，光谱测量系统6在可见光、近红外光谱通道信号测量设置光栅光谱测量系统，光谱测量系统6在短波红外和中波红外光谱通道信号测量设置傅里叶变换光谱测量系统。
进一步，优选的，第一弹光调制器202、第二弹光调制器501的快轴旋转频率比为5:3，以保证每个频率成分携带独立Muller矩阵元素。
进一步，经光谱测量系统6输出的每个光谱测量通道的调制光信号在控制电脑PC8中完成不同频率成分的傅里叶系数分析，最终求解出样品的Muller矩阵16个元素，利用测量获得的Muller矩阵元素进一步反演分析样品光学常数、薄膜厚度、强度特性、二向衰减特性、退偏振和相位延迟特性、非偏振转换特性参数，进而实现样品的广义椭偏分析。
进一步，弹光调制系统控制模块7包括信号发生FPGA单元701、第一电压放大单元电路702、第二电压放大单元电路703，信号发生FPGA单元701分别与第一电压放大单元电路702、第二电压放大单元电路703连接，信号发生FPGA单元701连接有控制电脑PC8，第一电压放大单元电路702、第二电压放大单元电路703分别连接有第一弹光调制器202、第二弹光调制器501。
进一步，优选的，准直光源1采用激光、单色仪光源、短弧氙灯、卤钨灯、溴钨灯、碳化硅或氮化硅光源，准直光源1的光谱范围覆盖紫外、可见光、近红外、短波红外和中波红外，准直光源1的光谱范围为190nm-5000nm。准直光源1可选用激光、单色仪光源等准单色光来测量光学常数已知的样品，也可采用短弧氙灯、卤钨灯、溴钨灯、碳化硅或氮化硅光源等宽波段光源，测量薄膜厚度较厚、光学参数不确定的样品，一般短弧氙灯光源的光谱范围可覆盖190nm-1700nm，卤钨灯、溴钨灯光源的光谱范围可覆盖320nm-2500nm、碳化硅、氮化硅光源光谱范围可覆盖1000nm-5000nm。关注样品在紫外光谱波段的光学特性参数，选择用短弧氙灯光源；关注样品在红外光谱波段的光学特性参数，选择用卤钨灯、溴钨灯、碳化硅、氮化硅等光源。准直光源1将光源进行光束整形并准直入射广义椭偏分析装置。
本发明的工作原理为：对于较宽的光谱范围，每个光谱通道的样品测量参数通过光谱测量系统8进行光谱测量获取，其中可见光、近红外光谱通道信号测量采用光栅光谱仪测量获得，短波红外和中波红外光谱通道信号采用傅里叶变换光谱测量获取，每个光谱测量通道下由检测光源入射到经偏振发生器偏振调制，经样品反射或透射的检测光，在经过偏振分析器偏振解调，最终获得输出光强，采用Stokes矢量和Muller矩阵进行偏振传输分析，测量获得每个光谱测量通道的光强可以表示为：
I＝SPSA TMSPSG (1)
其中，M为样品的Muller矩阵，M为一个4x4的矩阵，每个元素采用mij表示。
Figure BDA0002927849710000051
本发明所述广义椭偏分析装置在于旨在测量出无论反射样品还是透射样品的偏振特性Muller矩阵的16个元素，将样品的强度特性、二向衰减特性、退偏振和相位延迟特性、非偏振转换特性进行量化描述。对于各向同性样品其偏振特性Muller矩阵退化为
Figure BDA0002927849710000052
其中，N＝cos2ψ，S＝sin2ψsinΔ，C＝sin2ψcosΔ，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°)。
在本实施例中，偏振发生器和偏振分析器中的弹光调制均采用快轴可调弹光调制器，快轴弹光调制器选用压电石英晶体作为驱动器、弹光晶体可选用熔融石英或氟化钙晶体，驱动控制系统有信号发生FPGA单元和第一电压放大单元电路、第二电压放大单元电路组成，信号发生FPGA单元作为信号发生单元提供快轴可调弹光调制器的谐振频率信号，该信号经第一电压放大单元电路、第二电压放大单元电路振荡放大驱动弹光调制器工作，本发明的快轴可调弹光调制器工作在纯行波模式，类似旋转的波片或者补偿器，但是该模式无机械旋转部件，弹光调制器的快轴具有较高的旋转频率为f，本发明专利设置在几十千赫兹，旋转的角频率为ω＝2πf。弹光调制的偏振调制特性可用Muller矩阵描述为：
Figure BDA0002927849710000061
卤钨灯、溴钨灯、碳硅棒和氮化硅等光源为自然光，因此每个光谱测量通道偏振发生器输出的Stokes矢量为
Figure BDA0002927849710000062
其中，R(θ)表示旋转Muller矩阵：
Figure BDA0002927849710000063
同理，偏振分析器的Stokes矢量可以表示为
Figure BDA0002927849710000064
将(2)，(4)-(7)式带入(1)式，测量获得每个光谱测量通道的光强随快轴可调弹光调制成周期变化，可以描述为
Figure BDA0002927849710000065
其中，
Figure BDA0002927849710000071
上式中，δ1和δ2分别表示第一弹光调制器、第二弹光调制器的相位延迟量，ω1和ω2分别表示第一弹光调制器、第二弹光调制器的快轴旋转角频率，其中j分别取，j＝1、2、3和4。描述样品偏振特性的16个元素均被加载到调制光强信号中。为了能够从不同的频率调制信号中求解出样品每个Muller矩阵元素，通常设置第一弹光调制器、第二弹光调制器的快轴旋转角频率ω1和ω2成一定的整数比关系以保证每个频率成分携带独立Muller矩阵元素，通常取频率比ω1:ω2＝5:3。经光谱测量系统输出的每个光谱测量通道的调制光信号，经采集单元AD转化为数字量I(k)输入计算机中完成不同频率成分的傅里叶系数分析，最终求解出样品的所有Muller矩阵元素，利用测量获得的Muller矩阵元素进一步反演分析样品光学常数、薄膜厚度、退偏、散射等参数，进而实现样品的广义椭偏分析。
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)

1.一种基于双快轴可调弹光调制的广义椭偏分析装置，其特征在于：包括准直光源(1)、偏振发生器(2)、样品夹具(3)、仪器旋转台(4)、偏折分析器(5)、光谱测量系统(6)、弹光调制系统控制模块(7)和控制电脑PC(8)，所述准直光源(1)的光路方向上依次设置有偏振发生器(2)、样品夹具(3)，所述样品夹具(3)上固定有待测样品，所述样品夹具(3)的底部与仪器旋转台(4)转动连接，所述待测样品的光路方向上依次设置有偏折分析器(5)、光谱测量系统(6)，所述光谱测量系统(6)通过导线连接有控制电脑PC(8)，所述控制电脑PC(8)连接有弹光调制系统控制模块(7)，所述弹光调制系统控制模块(7)分别与偏振发生器(2)、偏折分析器(5)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于双快轴可调弹光调制的广义椭偏分析装置，其特征在于：所述偏振发生器(2)包括起偏振器(201)、第一弹光调制器(202)，所述准直光源(1)的光路方向上依次设置有起偏振器(201)、第一弹光调制器(202)。
3.根据权利要求2所述的一种基于双快轴可调弹光调制的广义椭偏分析装置，其特征在于：所述偏折分析器(5)包括第二弹光调制器(501)、检偏器(502)，所述待测样品的光路方向上依次设置有第二弹光调制器(501)、检偏器(502)。
4.根据权利要求3所述的一种基于双快轴可调弹光调制的广义椭偏分析装置，其特征在于：所述第一弹光调制器(202)、第二弹光调制器(501)均采用快轴可调弹光调制器，快轴可调弹光调制器工作在纯行波模式，无机械旋转情况下便能实现快轴较高频率旋转，所述第一弹光调制器(202)、第二弹光调制器(501)的旋转频率设置在40～100kHz。
5.根据权利要求1所述的一种基于双快轴可调弹光调制的广义椭偏分析装置，其特征在于：所述偏振发生器(2)、样品夹具(3)和偏折分析器(5)围绕仪器旋转台(5)进行旋转调，所述偏振发生器(2)入射待测样品的入射角为0°到90°，满足待测样品的透射特性和反射特性参数的广义椭偏分析测试。
6.根据权利要求1所述的一种基于双快轴可调弹光调制的广义椭偏分析装置，其特征在于：所述光谱测量系统(6)在可见光、近红外光谱通道信号测量设置光栅光谱测量系统，所述光谱测量系统(6)在短波红外和中波红外光谱通道信号测量设置傅里叶变换光谱测量系统。
7.根据权利要求3所述的一种基于双快轴可调弹光调制的广义椭偏分析装置，其特征在于：所述第一弹光调制器(202)、第二弹光调制器(501)的快轴旋转频率比为5:3，以保证每个频率成分携带独立Muller矩阵元素。
8.根据权利要求1所述的一种基于双快轴可调弹光调制的广义椭偏分析装置，其特征在于：经光谱测量系统(6)输出的每个光谱测量通道的调制光信号在控制电脑PC(8)中完成不同频率成分的傅里叶系数分析，最终求解出样品的Muller矩阵16个元素，利用测量获得的Muller矩阵元素进一步反演分析样品光学常数、薄膜厚度、强度特性、二向衰减特性、退偏振和相位延迟特性、非偏振转换特性参数，进而实现样品的广义椭偏分析。
9.根据权利要求1所述的一种基于双快轴可调弹光调制的广义椭偏分析装置，其特征在于：所述弹光调制系统控制模块(7)包括信号发生FPGA单元(701)、第一电压放大单元电路(702)、第二电压放大单元电路(703)，所述信号发生FPGA单元(701)分别与第一电压放大单元电路(702)、第二电压放大单元电路(703)连接，所述信号发生FPGA单元(701)连接有控制电脑PC(8)，所述第一电压放大单元电路(702)、第二电压放大单元电路(703)分别连接有第一弹光调制器(202)、第二弹光调制器(501)。
10.根据权利要求1所述的一种基于双快轴可调弹光调制的广义椭偏分析装置，其特征在于：所述准直光源(1)采用激光、单色仪光源、短弧氙灯、卤钨灯、溴钨灯、碳化硅或氮化硅光源，所述准直光源(1)的光谱范围覆盖紫外、可见光、近红外、短波红外和中波红外，所述准直光源(1)的光谱范围为190nm-5000nm。
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