基于斯托克斯參數(shù)測量的快速橢偏測厚系統(tǒng)的研制.pdf

1、偏振是光波的一個重要性質(zhì)，在材料科學(xué)、光學(xué)、光工程學(xué)、通訊學(xué)和天文學(xué)等領(lǐng)域中，光偏振的測量具有十分重要的意義。斯托克斯參數(shù)（Stokes Parameters）可全面描述光束的偏振態(tài)和光強度，因此通過對斯托克斯參數(shù)的測量，即可確定光束的偏振態(tài)，進而確定樣品的橢偏參數(shù)（ψ，△）和折射率與厚度（n，d）等。目前，新型功能薄膜材料的研究十分活躍，薄膜樣品的厚度、折射率等參數(shù)的快速測量，以及薄膜生長過程中的膜厚與折射率的實時監(jiān)測，是高質(zhì)量納米級

2、薄膜生產(chǎn)和研究中的關(guān)鍵技術(shù)。
　　 在過去的二十多年里，國外研究人員在偏振態(tài)測量這一領(lǐng)域內(nèi)，在理論和應(yīng)用方面做了大量工作，取得很大進展。僅是基于斯托克斯參數(shù)測量的方法就提出了十多種甚至更多，并且已將部分裝置應(yīng)用于實際領(lǐng)域。目前，國內(nèi)對它的研究相對較少。國外的一些廠商，如美國的Gaertnerscientific公司，已經(jīng)開始推出商品化的基于斯托克斯參數(shù)測量原理的橢偏測厚儀應(yīng)用于薄膜厚度和折射率測量。但我國國內(nèi)還未見有基于斯托克斯

3、參數(shù)測量原理的橢偏測厚儀研制的報道。
　　 目前國內(nèi)外橢偏測厚儀主要采用消光法或光度法的原理。這兩種方法均要偏振器件繞光軸轉(zhuǎn)動，對光束進行消光或光度調(diào)制，從而獲得光束的偏振態(tài)。雖然技術(shù)水平不斷提高，但基于這兩各方法的測厚儀測量速度慢，有轉(zhuǎn)角誤差，轉(zhuǎn)動控制精度要求高。因此，對于諸如對功能薄膜生長時厚度的實時監(jiān)控，光束偏振態(tài)的快速變化或使用脈沖激光器作光源的情況，用傳統(tǒng)的測量方式則無法快速測量，不能適應(yīng)測量的需求。因此，研究能快速獲

4、得偏振光偏振態(tài)的新型測量儀器并用于橢偏測厚技術(shù)中具有現(xiàn)實意義和實用價值。
　　 基于此，本課題成功研制新型的基于斯托克斯參數(shù)測量的快速橢偏測厚儀。斯托克斯參數(shù)的測量按原理大體可分為偏光調(diào)制法和采用波前分割或振幅分割的方法。在此，引用分振幅法將經(jīng)過樣品反射的入射光經(jīng)過分束分成四道光束，通過多信號通道同時探測各通道光強值，可快速地測量出描述待測光偏振態(tài)的全部斯托克斯參數(shù)。再通過對入射光斯托克斯參數(shù)前后變化的計算，可得到樣品的折射率和

5、厚度等相關(guān)信息。它具有測量速度快、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝簡單和操作方便等優(yōu)點，可用于在線實時研究材料的物理化學(xué)性質(zhì)及其變化。經(jīng)測量，該儀器達(dá)到如下性能指標(biāo)：四個斯托克斯參數(shù)測量值與理論值的最大絕對偏差<0.040；平均偏差<0.022；實驗相對誤差<0.01；單次光強測量時間≥75ms。
　　 針對本課題開展的主要工作，本論文主要從以下幾個方面行了論述：第一章主要介紹斯托克斯參數(shù)測量及橢偏測厚儀的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，指出本課題所具有的重要意

6、義和應(yīng)用，并簡要概括自己的工作重點和創(chuàng)新點。在第二章中，全面論述了偏振光及偏振態(tài)的描述方法及橢圓偏振測厚原理和方法。并突出強調(diào)斯托克斯矢量表示法的普遍性和重要性。第三章是本文重點，系統(tǒng)論證了基于斯托克斯參數(shù)測量的橢偏測厚儀的相關(guān)理論及原理推導(dǎo)，并重新設(shè)計了光路，然后從系統(tǒng)框架設(shè)計、硬件選型及裝配、軟件功能及設(shè)計等幾方面論述了儀器的設(shè)計與研制。第四章中，介紹了對系統(tǒng)幾個重要性能進行的測試，并重點介紹了系統(tǒng)定標(biāo)的相關(guān)理論、方法和過程。第五章