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椭偏仪测量薄膜厚度和折射率实验报告 组别：69组 院系：0611 姓名：林盛 学号：PB06210445
实验题目：椭偏仪测量薄膜厚度和折射率
实验目的：了解椭偏仪测量薄膜参数的原理，初步掌握反射型椭偏仪的使用
方法。
实验原理：
椭圆偏振光经薄膜系统反射后，偏振状态的变化量与薄膜的厚度和折射率有关，因此只要测量出偏振状态的变化量，就能利用计算机程序多次逼近定出膜厚和折射率。参数?描述椭圆偏振光的P波和S波间的相位差经薄膜系统关系后发生的变化，?描述椭圆偏振光相对振幅的衰减。有超越方程：
tan????Epr???Epi??E?sr??E?si?
????pr??sr????pi??si?
1为简化方程，将线偏光通过方位角?45?的4波片后，就以等幅椭圆偏振光出射，Epi?Esi；改变起偏器方位角?就能使反射光以线偏振光出
?射，
????pr??sr??0或?，公式化简为：
tan??EprEsr
?????pi??si?
这时需测四个量，即分别测入射光中的两分量振幅比和相位差及反射光中的两分量振幅比和相位差，如设法使入射光为等幅椭偏光，
Eip/Eis?1，则tg??Erp/Ers；对于相位角，有：
??(?rp??rs)?(?ip??is) ?
???ip??is??rp??rs
因为入射光
?ip??is连续可调，调整仪器，使反射光成为线偏光，即
?rp??rs=0或（?），则
???(?ip??is)或
????(?ip??is)，可见?只与
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反射光的p波和s波的相位差有关，可从起偏器的方位角算出.对于特定的膜, ?是定值,只要改变入射光两分量的相位差(?ip??is),肯定会找到
特定值使反射光成线偏光,
?rp??rs=0或（?）。
实验仪器：椭偏仪平台及配件 、He-Ne激光器及电源 、起偏器 、检偏器 、
四分之一波片、待测样品、黑色反光镜等。
实验内容：
1. 按调分光计的方法调整好主机。 2. 水平度盘的调整。 3. 光路调整。
4. 检偏器读数头位置的调整和固定。 5. 起偏器读数头位置的调整与固定。 6. 1/4波片零位的调整。
7. 将样品放在载物台中央，旋转载物台使达到预定的入射角700即望远镜转过
400,并使反射光在白屏上形成一亮点。 8. 为了尽量减小系统误差，采用四点测量。
9. 将相关数据输入“椭偏仪数据处理程序”，经过范围确定后，可以利用逐次
逼近法，求出与之对应的d和n ;由于仪器本身的精度的限制，可将d的误差控制在1埃左右，n的误差控制在0.01左右。
实验数据：
实验测得数据如下： 14波片放置角度 45? —45? n 1 2 3 4 A（?） 96.5 86.0 87.9 98.8 P（?） 170.7 84.7 190.8 101.5 （注：试验中，对于角度大于180度，计算时减去180度。） 将表格中数据输入“椭偏仪数据处理程序”，利用逐次逼近法，求出与之对应的厚度d和折射率n分别为：
n?2.12 d=564nm
误差分析：
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实验测得的折射率比理论值偏大，厚度比理论值偏小，其可能原因有： 1. 待测介质薄膜表面有手印等杂质，影响了其折射率。
2. 在开始的光路调整时，没有使二者严格共轴，造成激光与偏振片、1/4波片
之间不是严格的正入射，导致测量的折射率与理论值存在偏差。
3. 消光点并非完全消光，所以消光位置只能由人眼估测，所以可能引入误差。 4. 由于实验中需多次转动及调节、安装仪器，会破坏仪器的共轴特性。虽经多
次调节，但还是会产生误差。
思考题：
1.
1/4波片的作用是什么？
1/4波片使得入射的线偏振光出射后为等幅的椭圆偏振光，从而出射光
的P分量和S分量比值为一，进而使超越方程变得简单。 2. 椭偏光法测量薄膜厚度的基本原理是什么？
让一束椭圆偏振光以一定的入射角入射到薄膜系统的表面，经反射后，反射光束的偏振状态（振幅和相位）会发生变化，而这种变化与薄膜的厚度和折射率有关，因此只要能测量出偏振状态的变化量就能定出膜后和折射率。具体关系反应在下面两个方程中：
tg??[r21p?r22p?2r1pr2pcos2?1?r21sr22s?2r1sr2scos2?1?r21pr22p?2r?]1/2
1pr2pcos2?r21s?r22s?2r1sr2scos2???tg?1?r2p(1?r21p)sin2??1?r2s(1?r21s)r(1?r22p)?r2)cos2??tgsin2?r22 1p2p(1?r1p1s(1?r2s)?r2s(1?r1s)cos2?所以若能利用消光法从实验测出椭偏系数?和?，原则上就可以解出薄膜的厚度和折射率。
3. 用反射型椭偏仪测量薄膜厚度时，对样品的制备有什么要求？
样品应为均匀透明各向同性的薄膜系统，反射率较高一点，以便于增强反射光的强度，而且薄厚均匀透明，从而利于实验的进行和精度要求。如本实验就是采用硅衬底的均匀透明各向同性的薄膜系统。 4. 为了使实验更加便于操作及测量的准确性，你认为该实验中哪些地方
需要改进？
在判断消光时，由于每个人的判断标准不同，所以容易产生误差。而
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且长时间的观察时眼睛观察能力下降，不易判断消光现象。这些会引起较大误差，我认为可以用精度较高的光电接收器来进行判断。
实验总结：
本实验是光学实验。对于光学试验，最为重要得是光路的调节，光路的调节准确与否，直接影响了试验的精度。因此，要准确调节光路。在安装起偏器和检偏器以后，都要看一看是否依旧保持光线同轴。同时，由于光学仪器本身的精密性，严禁用手触摸。还要轻拿轻放。
本实验巧妙的设计，使光通过1/4波片之后，光变成等幅椭圆偏振光，使得，Eip/Eis?1，使得tg??Erp/ErsE变为tg??Erp/Ers，计算可以大
ip/Eis大的简化。通过调整仪器，使反射光成为线偏光，即?rp??rs?0或（?），则???(?ip??is)或????(?ip??is)，可使问题简化。
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