反射式RAP型椭圆偏振光谱仪及其应用

在实验系统中，探测器暗电流对直流信号产生影响，因此单一旋转起偏器或检偏器的椭偏仪在测量过程中需对直流信号做特殊处理。由式(23)、(24) 可知，RAP 型的椭偏仪可克服该困难，测量椭偏参数和不需要测量光强信号的直流分量，只要测量交流分量即可，提高了系统测量的精度。同时，式(23)和(24)均可计算出椭偏参数，可用于系统自洽检验。实测数据表明本实验 系统在可 见光范围内其自洽性优于1% 。

4 实验应用

(1) 马吕斯定律验证实验。对于反射式 RAP 型椭偏仪，其测量的核心手段是旋转检偏器并记录反射光光强随检偏器转动角度变化的规律，并由此计算反射光的偏振状态。为了让学生对此有直观的认识，首先设计一项准备实验。探测光不经样品反射，仅旋转起偏器或检偏器，观察光强变化形式并验证马吕斯定律。

根据马吕斯定律，如果线偏振光的振动面与起偏器(或检偏器)的方位角(即透光方向)的夹角为θ时，其强度为 I0的线偏振光通过起偏器(或检偏器)后光强为:I = I0cos2θ。由实验控制程序发出命令，控制起偏器 P 与检偏器 A 分别单独旋转，收集探测器接收到的光电压，记录光强随探测光振动面与偏振片方位角夹角的变化。实验结果如图 3 所示。

以上实验数据表明，实验过程中马吕斯定律 I =I0cos2θ 成立，实验系统对于起偏器与检偏器的转动控制良好。

(2) 样品参数测量实验。作为椭偏仪的另一应用实例，在室温下，使用该系统对一标准硅片样品进行测量，探测并计算其主要光学参数:复折射率的实部 n、虚部 k、复介电常数的实部 ε1、虚部 ε2、反射率 R 及吸收系数 α。控制起偏器与检偏器以 A = 2P 的速度转动，并探测光强。由式(22)、(23)(或(24))计算椭偏参数，利用式(17)、(18)等计算样品的其他光学参数。实验中λ = 650 nm，入射角ø分别取 55°，60°，65°，70°，75°作 5 组测量，得到硅片各光学性质结果平均值为: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。 考虑到样品表面的氧化层、沾污等误差因素，该测试结果与文献［1］等报道的结果相一致。

从上述马吕斯定律验证实验、硅片光学常数测试实验等结果表明，该反射式 RAP 型椭偏仪具有全自动、多功能、高精度、易操作等优点。由于考虑成本因素等，该教学型椭偏仪仅使用 650 nm 的单波长，实际上该型号椭偏仪已扩展到较宽的测试波长范围，并且在多方面的研究中发挥较大作用［11-12］。

5 结 语

我校自 2004 年以来开设“光信息科学与技术”专业实验，“椭圆偏振光谱学与偏振光分析实验”即为其中之一，为此，我们研制成功一种反射式 RAP 型动态光度式全自动椭偏仪，并用于实验应用。实验系统结构简单、集成度高、成本低、精度高、易于操作。通过本实验内容的学习，将使学生对有关偏振物理光学的基础知识有更深刻的理解，这主要包括:光的偏振特性;偏振光的产生、控制和应用;固体材料的光学性质及其与光学常数的关系;固体光学常数的椭偏光学测量和分析;以及椭圆偏振光谱在科学研究和高科技领域的应用。也有利于学生在其他相关课程(如我校精品课程“光子学器件与工艺”中有关“光子学薄膜”等相关内容)的动手实践与学习理解。实验开设近 6 年来，取得良好教学效果，受到学生欢迎。

参考文献(References):

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