反射式RAP型橢圓偏振光譜儀及其應用

在實驗系統中，探測器暗電流對直流信號產生影響，因此單一旋轉起偏器或檢偏器的橢偏儀在測量過程中需對直流信號做特殊處理。由式(23)、(24) 可知，RAP 型的橢偏儀可克服該困難，測量橢偏參數和不需要測量光強信號的直流分量，只要測量交流分量即可，提高了系統測量的精度。同時，式(23)和(24)均可計算出橢偏參數，可用于系統自洽檢驗。實測數據表明本實驗 系統在可 見光范圍內其自洽性優于1% 。

4 實驗應用

(1) 馬呂斯定律驗證實驗。對于反射式 RAP 型橢偏儀，其測量的核心手段是旋轉檢偏器并記錄反射光光強隨檢偏器轉動角度變化的規律，并由此計算反射光的偏振狀態。為了讓學生對此有直觀的認識，首先設計一項準備實驗。探測光不經樣品反射，僅旋轉起偏器或檢偏器，觀察光強變化形式并驗證馬呂斯定律。

根據馬呂斯定律，如果線偏振光的振動面與起偏器(或檢偏器)的方位角(即透光方向)的夾角為θ時，其強度為 I0的線偏振光通過起偏器(或檢偏器)后光強為:I = I0cos2θ。由實驗控制程序發出命令，控制起偏器 P 與檢偏器 A 分別單獨旋轉，收集探測器接收到的光電壓，記錄光強隨探測光振動面與偏振片方位角夾角的變化。實驗結果如圖 3 所示。

以上實驗數據表明，實驗過程中馬呂斯定律 I =I0cos2θ 成立，實驗系統對于起偏器與檢偏器的轉動控制良好。

(2) 樣品參數測量實驗。作為橢偏儀的另一應用實例，在室溫下，使用該系統對一標準硅片樣品進行測量，探測并計算其主要光學參數:復折射率的實部 n、虛部 k、復介電常數的實部 ε1、虛部 ε2、反射率 R 及吸收系數 α。控制起偏器與檢偏器以 A = 2P 的速度轉動，并探測光強。由式(22)、(23)(或(24))計算橢偏參數，利用式(17)、(18)等計算樣品的其他光學參數。實驗中λ = 650 nm，入射角?分別取 55°，60°，65°，70°，75°作 5 組測量，得到硅片各光學性質結果平均值為:ε～1= 12. 212 11，ε～2= 3. 535 10，n－= 3. 529 97，k－=0. 501 73，R－= 0. 320 34，α－= 12. 415 78。 考慮到樣品表面的氧化層、沾污等誤差因素，該測試結果與文獻［1］等報道的結果相一致。

從上述馬呂斯定律驗證實驗、硅片光學常數測試實驗等結果表明，該反射式 RAP 型橢偏儀具有全自動、多功能、高精度、易操作等優點。由于考慮成本因素等，該教學型橢偏儀僅使用 650 nm 的單波長，實際上該型號橢偏儀已擴展到較寬的測試波長范圍，并且在多方面的研究中發揮較大作用［11-12］。

5 結 語

我校自 2004 年以來開設“光信息科學與技術”專業實驗，“橢圓偏振光譜學與偏振光分析實驗”即為其中之一，為此，我們研制成功一種反射式 RAP 型動態光度式全自動橢偏儀，并用于實驗應用。實驗系統結構簡單、集成度高、成本低、精度高、易于操作。通過本實驗內容的學習，將使學生對有關偏振物理光學的基礎知識有更深刻的理解，這主要包括:光的偏振特性;偏振光的產生、控制和應用;固體材料的光學性質及其與光學常數的關系;固體光學常數的橢偏光學測量和分析;以及橢圓偏振光譜在科學研究和高科技領域的應用。也有利于學生在其他相關課程(如我校精品課程“光子學器件與工藝”中有關“光子學薄膜”等相關內容)的動手實踐與學習理解。實驗開設近 6 年來，取得良好教學效果，受到學生歡迎。

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