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橢偏儀測(cè)量:解析偏振光與樣品相互作用的原理
來(lái)源: 時(shí)間:2025-02-13 11:19:10 瀏覽:1819次

橢偏儀測(cè)量:解析偏振光與樣品相互作用的原理

 

橢偏儀(Ellipsometer)作為一種高精度的光學(xué)測(cè)量?jī)x器,在材料科學(xué)、半導(dǎo)體制造、生物醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。其工作原理基于偏振光與樣品表面的相互作用,通過(guò)測(cè)量反射光或透射光的偏振狀態(tài)變化,可以精確獲取材料的光學(xué)參數(shù),如折射率、厚度、粗糙度等。

 

一、基本原理

橢偏儀的核心在于橢圓偏振光的利用。橢圓偏振光是指光波的振動(dòng)方向在傳播過(guò)程中不斷變化,形成橢圓形的軌跡。當(dāng)一束已知偏振狀態(tài)的激光入射到樣品表面時(shí),由于樣品的光學(xué)特性,反射光或透射光的偏振狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化。這種變化可以通過(guò)兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)來(lái)描述:相位差(Δ)和振幅比(Ψ)。

相位差(Δ)反映了反射光中不同偏振分量之間的相位關(guān)系,而振幅比(Ψ)則描述了反射光中不同偏振分量的振幅之比。這兩個(gè)參數(shù)與樣品的光學(xué)性質(zhì)密切相關(guān),通過(guò)測(cè)量它們,可以反推出樣品的光學(xué)常數(shù)和幾何形貌等信息。

二、偏振光與樣品的相互作用

1. 折射與反射:當(dāng)偏振光入射到樣品表面時(shí),部分光線(xiàn)會(huì)被反射,部分光線(xiàn)會(huì)進(jìn)入樣品內(nèi)部發(fā)生折射。反射光和折射光的偏振狀態(tài)都會(huì)發(fā)生變化,這種變化取決于樣品的光學(xué)特性和幾何結(jié)構(gòu)。

2. 橢偏效應(yīng):由于樣品對(duì)不同偏振方向的折射率不同,導(dǎo)致反射光或透射光的偏振狀態(tài)發(fā)生改變。這種改變可以用橢偏角來(lái)描述,橢偏角是入射光偏振方向與反射光或透射光偏振方向之間的夾角。

3. 菲涅爾反射系數(shù):菲涅爾反射系數(shù)是描述光在兩種介質(zhì)界面上反射特性的重要參數(shù)。它取決于入射光的波長(zhǎng)、入射角和兩種介質(zhì)的折射率。通過(guò)菲涅爾反射系數(shù),可以計(jì)算出反射光的振幅和相位變化,進(jìn)而得到橢偏參數(shù)。

三、測(cè)量過(guò)程

橢偏儀的測(cè)量過(guò)程通常包括以下幾個(gè)步驟:

1. 光源發(fā)射:橢偏儀使用單色光源或可調(diào)諧光源產(chǎn)生偏振光。常用的光源有激光器,因?yàn)榧す饩哂袉紊院?、相干性高等特點(diǎn),有利于提高測(cè)量精度。

2. 光束入射:偏振光入射到待測(cè)樣品表面,與樣品發(fā)生相互作用。

3. 偏振態(tài)變化測(cè)量:通過(guò)檢測(cè)反射光或透射光的偏振態(tài)變化,得到橢偏參數(shù)Δ和Ψ。

4. 數(shù)據(jù)分析:根據(jù)測(cè)量的橢偏參數(shù),通過(guò)建立材料的光學(xué)模型進(jìn)行擬合,得到材料的折射率、厚度等光學(xué)常數(shù)。

四、應(yīng)用領(lǐng)域

橢偏儀因其高精度和非接觸式的測(cè)量特點(diǎn),在多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用:

1. 材料科學(xué)研究:橢偏儀可以用于研究新型材料的光學(xué)性質(zhì),為材料設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供依據(jù)。

2. 半導(dǎo)體制造:在半導(dǎo)體制造過(guò)程中,橢偏儀可用于監(jiān)測(cè)薄膜厚度,確保生產(chǎn)過(guò)程的精度。

3. 生物醫(yī)學(xué):橢偏儀可用于檢測(cè)生物組織的折射率,為疾病診斷提供信息。此外,由于其無(wú)損測(cè)量的特點(diǎn),也可以用于生物樣品的表面檢測(cè)。

 

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