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椭偏仪实验 南京理工大学 物理实验中心 徐永祥 一、背景介绍 二、实验目的 三、实验仪器 四、实验原理 五、实验内容与步骤 六、思考题与讨论题 七、参考文献 一、 背 景 介 绍 1、薄膜的分类：透明介质膜和金属膜。 2、薄膜的光学与几何参数为 。式中， 为薄膜 复折射率, ，d为薄膜的厚度。对于透明介质膜，因无吸收(k=0)，此时其折射率为实数。 3、自然光、线偏振光及椭圆偏振光的概念。 4、常见测定薄膜光学参数的方法：布儒斯特角法测介质膜的折射率，干涉法测膜厚。另外，还有称重法、X射线法、电容法、椭偏法，等等。 三、实验仪器 TPY-2型椭圆偏振测厚仪，如图1 所示。 现以普通玻璃表面镀以透明单层介质膜为例作一说明。 如图2所示，当一束光入射到单层介质膜面上时，在界面1和2上形成多次反射和折射，且各反射光和折射光分别产生多光束干涉。其干涉结果反映了薄膜的光学特性。 根据电磁场的麦克斯韦方程和边界条件及菲涅尔反射系数公式，可以导出： 式中， 分别为光在薄膜上、下表面的入射角。 于是得到如下椭偏方程： TPY－2型椭偏仪光路原理及仪器结构图： 5.3 两次测量完毕后，点击‘折射率拟合’，在弹出对话框中选择拟合类型。点击‘确定’，得到薄膜的真实厚度及折射率。至此，实验完毕。 六、思考题与讨论题： 1. 思考题： 1） 什么叫自然光？什么叫线偏振光？什么 叫 椭圆偏振光？ 2） λ/4玻片有何特点？ 3） 单色光在单层膜表面多次反射后会出现什么情况？ 谢 谢 ！ * * 近代物理实验 内 容 提 要 5、椭偏法测量的优点：精度高，灵敏度高，无 破坏性等。因此椭偏法在光学、半导体学、生物学、医学等诸多领域已得到广泛应用。 二、实验目的 1、学习椭偏法的测量原理与方法； 2、测量透明介质薄膜厚度和折射率。 图1 TPY-2型自动椭圆偏振测厚仪 对于一定的样品，总可以找到起偏方位角P，使反射光由椭圆偏振光变成线偏振光。于是转动检偏器，在其相应的方位角A下得到消光状态，即没有光到达光电倍增管。以上测量薄膜光学参数的方法即称为消光测量法。 四、实验原理 使一束自然光（非偏振激光）经起偏器变成线偏振光，再经1/4波片，使它变成椭圆偏振光，入射到待测的膜面上。反射时光的偏振态将发生变化。对于一定的样品，总可以找到起偏方位角P，使反射光由椭圆偏振光变化。 s s φ1 k0 k1 k2 k3 φ2 φ3 d n1 n2 n3 界面1 界面2 自然光 图2 自然光在单层介质膜表面的反射与折射 。 。 P P （1） 式中，r1p、r2p为界面1、2处反射光p分量的振幅反射系数，r1s、r2s为界面1、2处s分量的振幅反射系数 ，2δ系指薄膜表面的相继两束反射光因光程差而引起的位相差，它满足： （2） （3） 测量时，利用电机分别带动检偏器和起偏器转动（扫描）找到处于消光状态时的检偏角A和起偏角P，根据下式计算椭偏参数Ψ、Δ： （4） 式中，ψ和Δ称为椭偏参数并具有角度量值，是n1、n2、n3、 、λ及d的函数，由于n1、n3、 和λ为已知量，只要利用实验测出ψ和Δ，并利用计算机作数值计算，即可得到薄膜折射率n2和厚度d。 需要说明的是,上述测得的薄膜厚度d为一个周 内的值，由 知薄膜厚度的 （5） 若实际膜厚大于d0，设此时所对应的周期数为j，则实际膜厚为： D＝（j－1） d0+d （6） 期 周期d0为： 图2 椭偏仪光学系统原理图 自然光 起偏器 φ1 检偏器 光电倍增管 1/4波片 线偏 振光 氦氖激光器 ? 消光 五、实验内容与步骤 首先开启主机电源，点亮氦氖激光器（预热30分钟后再测量为宜）。然后将电控箱调节