專利名稱：一種紅外雙重富利埃變換的橢圓偏振光譜儀及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)電子儀器橢圓偏振光譜學(xué)原理在可見光譜區(qū)已有了成功的應(yīng)用，但在紅外光譜區(qū)的應(yīng)用卻被推遲了許多年，主要困難在于在紅外區(qū)實(shí)驗(yàn)上所需要的高功率光源、高靈敏度光子探測器和光學(xué)元器件等條件都不易被滿足。直到最近幾年，隨著紅外富利埃光譜商用技術(shù)的成熟和推廣，才使得紅外富利埃橢偏光譜技術(shù)獲得了研究、發(fā)展和應(yīng)用。[參考文獻(xiàn)(1).J.Kircher et al，J.Opt.Soc.Am.B14,2153(1997)；(2).M.Luttmann et al,thin solid films,313-314,631(1998)]。在上述設(shè)計(jì)中，采用了如下程式紅外光源→紅外富利埃變換→P→樣品→A→探測器→數(shù)據(jù)富利埃變換→計(jì)算→紅外光學(xué)常數(shù)譜結(jié)果。
其中，起偏器P被固定在某方位角，而檢偏器作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。通過對光子波長和檢偏角A作雙重富利埃變換分析后，所得到光強(qiáng)信號為I(λ)=I0(λ)+I1(λ)cos(2A)+I2(λ)sin(2A)=I0(λ)+IA(λ)cos[2A+θ(λ)]式中，各波長位置的I0、I1和I2可通過雙重富利埃變換分析得到I0(λ)=1nΣi=1n[∫0∞I(δr)cos(2πδr/λ)dδr]i]]>I1(λ)=2nΣi=1n[∫0∞I(δr)cos(2πδr/λ)dδr]icos(2Ai)]]>I2(λ)=2nΣi=12[∫0∞I(δr)cos(2πδr/λ)dδr]isin(2Ai)]]>式中，λ為光子波長，δr為光程差，Ai為檢偏器的旋轉(zhuǎn)角。
由于采用了雙重富利埃分析的方法，有效克服了在紅外區(qū)所遇到的弱光源、低靈敏度光子探測器和光學(xué)元器件等困難。近幾年來，以該原理設(shè)計(jì)的紅外富利埃橢圓偏振光譜儀已由美國的Woollam和法國的SOPRA等公司生產(chǎn)。
但該方法存在二個(gè)明顯的缺點(diǎn)，一是需要測量直流成分I0(λ)。在紅外區(qū)，光源、環(huán)境溫度和氣氛質(zhì)量的微小變化會造成直流成分的漲落，而對數(shù)據(jù)計(jì)算的測量精度帶來影響，需要在實(shí)驗(yàn)中加以仔細(xì)校正，但不易做到，[參考文獻(xiàn)(3).E.Wold et al,thinsolid films,313-314,649(1998)]。另一是系統(tǒng)定標(biāo)十分繁瑣和費(fèi)時(shí)，[參考文獻(xiàn)(4).D.E.Aspnes,J.Opt.Soc.Am.64,812(1974)]。因此在上述方法中實(shí)際測量到的信號為I(λ)=[I0(λ)+ΔI0(λ)]+IA(λ)cos[2A+θ(λ)+Δθ(λ)]式中ΔI0(λ)為直流成分漲落引起的誤差；Δθ(λ)為附加的相位誤差，由檢、起偏器的初始位置不確定及系統(tǒng)電子線路的相應(yīng)引起。在紅外區(qū)Δθ(λ)的隨機(jī)漲落可達(dá)到±0.1°，將對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性造成影響。這些都需要在系統(tǒng)分析中給予校正，但不易被可靠、穩(wěn)定和重復(fù)地做到，并且校正的程序繁瑣。
本發(fā)明的目的是發(fā)明一種準(zhǔn)確、靈敏、快速測量的紅外雙重富利埃變換的橢圓偏振光譜儀及其設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明的設(shè)計(jì)原理為如下的程式紅外光源→紅外富利埃變換→起偏器P0(固定)→起偏器P(旋轉(zhuǎn))→樣品→檢偏器A(旋轉(zhuǎn))→探測器→數(shù)據(jù)富利埃變換→計(jì)算→紅外光學(xué)常數(shù)譜結(jié)果。
紅外光源通過一個(gè)邁克遜富利埃干涉儀，再經(jīng)過起偏器P0和起偏器P，以一定的入射角到樣品上，入射角一般為20°～90°，光被反射后再經(jīng)過檢偏器A由探測器接收，最后的信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后被計(jì)算機(jī)作富利埃分析和處理，并計(jì)算出相應(yīng)的光學(xué)常數(shù)。上述程式中，P0固定為零度(相對與入射面)，檢偏器A和起偏器P采用2:1系數(shù)同步旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)方式是當(dāng)A每轉(zhuǎn)一個(gè)分步角度Ai時(shí)(Pi=Ai/2)，便對光強(qiáng)作一次和多次富利埃變換，取平均后獲得與該角度對應(yīng)的光強(qiáng)隨波長分布的光譜，即獲得在Ai位置的光強(qiáng)I(λ)i譜。當(dāng)在A的旋轉(zhuǎn)周期中完成了各光強(qiáng)I(λ)i譜的測量后，再通過計(jì)算機(jī)在每一波長位置對光強(qiáng)I(λ)i譜隨Ai的變化作富利埃分析，便能在全波長范圍內(nèi)快速求得與各波長對應(yīng)的各光強(qiáng)分量。
在S(垂直于入射面)和P(平行于入射面)的坐標(biāo)系中，以S軸為參照系，設(shè)置P0=0，并且P和A同步旋轉(zhuǎn)，A=2P，因此，最后隨檢偏角變化的出射光強(qiáng)為I(λ)=I0(λ)+I1(λ)cos(A)+I2(λ)cos(2A)+I3(λ)cos(3A)+I4(λ)cos(4A)式中，I0=η14(7+3ρo2+2ρocosΔ)]]>I1=η(3+ρocosΔ)I2=η(2-ρo2)I3=η(1-ρocosΔ)I4=η14(1+ρo2-2ρocosΔ)]]>可得到ρo=[2(I1+I3-2I2)I1+I3]1/2]]>(1)cosΔ=I1-3I3[2(I1+I3)(I1+I3-2I2)]1/2]]>或者ρo=[9(I1+I3-2I2)2(2I1+I2+4I4)]1/2]]>(2)cosΔ=3(I1+I3)-4(I2+4I4)[8(I1+I3)(I1+I3-2I2)]1/2]]>式中，η為比例系數(shù)，ρo和Δ為橢偏參數(shù)，定義為ρ=ρoeiΔ]]>因此，在紅外區(qū)的光學(xué)復(fù)介電函數(shù)ε=ε1+iε2可被計(jì)算出ϵ=ϵa[sin2φ+sin2φtan2φ(1-ρ1+ρ)2]]]>進(jìn)而得到其他光學(xué)常數(shù)，如復(fù)折射率N、吸收系數(shù)α和反射率R等ε＝N2,N=n+ik,ε1=n2-k2,ε2=2nkα=4πkλ,R=(n-1)2+k2(n+1)2+k2]]>上述式(1)和(2)可分別用于計(jì)算橢偏參數(shù)，可精確地檢驗(yàn)系統(tǒng)在紅外區(qū)的數(shù)據(jù)的自洽性。同時(shí)，當(dāng)p=A=0，光強(qiáng)為最大，當(dāng)p=90°,A=0時(shí)，光強(qiáng)為最小，可很容易根據(jù)這些條件對系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)。由于在計(jì)算橢偏參數(shù)時(shí)，避免了測量直流分量，因此有效消除了在紅外區(qū)因光強(qiáng)、溫度和氣氛漲落造成的影響。同時(shí)，在各交流光強(qiáng)分量中，僅包含cos(kA)的項(xiàng)，而不包含sin(kA)的項(xiàng)，(k=1,2,3,4)，因此，在定標(biāo)過程中，P和A初始位置的微小不確定性(±0.1°)對cos(kA)各項(xiàng)強(qiáng)度測量的影響可被忽略不計(jì)。另外，在某些應(yīng)用場合，如利用同步輻射紅外光源，其出射光是高度偏振性的，并與入射面垂直。因此，P0、P和A與入射面垂直的初始條件可使光強(qiáng)信號得到充分利用，而避免了對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作任何物理傾斜式調(diào)整的困難。
本發(fā)明設(shè)計(jì)方法在實(shí)施例中已詳細(xì)描述。
利用本方法設(shè)計(jì)的雙重富利埃變換的橢圓偏振光譜儀的特點(diǎn)為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自我定標(biāo)，定標(biāo)概念清楚，程序簡單，尤其在紅外區(qū)的實(shí)施更是簡便易行。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙重富利埃分析，既對波長又對偏振角作富利埃分析，顯著提高了紅外區(qū)的橢偏數(shù)據(jù)信噪比質(zhì)量，并將檢偏器和起偏器2∶1的旋轉(zhuǎn)方式結(jié)合進(jìn)了上述測量程式，從而有效克服了紅外橢偏參數(shù)測量和分析中所遇到的如需要準(zhǔn)確測量直流信號成分和位相角等的困難。在設(shè)計(jì)中，入射角連續(xù)可變，分辨率優(yōu)于0.01°。數(shù)據(jù)自動采集、分析和計(jì)算。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了絕對定標(biāo)、數(shù)據(jù)自洽和快速測量的目的，自洽度優(yōu)于0.5％。系統(tǒng)對紅外橢偏參數(shù)的測量具有準(zhǔn)確、靈敏和實(shí)時(shí)快速的優(yōu)點(diǎn)。本方法的實(shí)施方案如下由黑體輻射提供的紅外光源通過一個(gè)邁克遜富利埃干涉儀，出射光被準(zhǔn)直后經(jīng)過起偏器P0和起偏器P，以一定的入射角到樣品上，光被反射后再經(jīng)過檢偏器A由探測器接收，最后的信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后被計(jì)算機(jī)作富利埃分析和處理，并計(jì)算出相應(yīng)的光學(xué)常數(shù)。在設(shè)計(jì)中，P0固定并垂直于入射面，P和A的初始位置也與入射面垂直。檢偏器A和起偏器P采用2∶1系數(shù)同步旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)方式當(dāng)A每轉(zhuǎn)一個(gè)分步角度Ai時(shí)(Pi=Ai/2)，便對光強(qiáng)作一次和多次富利埃變換，取平均后獲得與該角度對應(yīng)的光強(qiáng)隨波長分布的光譜，即獲得在Ai位置的光強(qiáng)I(λ)i譜。當(dāng)在A的旋轉(zhuǎn)周期中完成了各光強(qiáng)I(λ)i譜的測量后，再通過計(jì)算機(jī)在每一波長位置對光強(qiáng)I(λ)i譜隨Ai的變化作富利埃分析，便能在全波長范圍內(nèi)快速求得與各波長對應(yīng)的各光強(qiáng)分量。
權(quán)利要求
1.一種紅外雙重富利埃變換的橢圓偏振光譜儀，有紅外光源經(jīng)紅外富利埃變換出射光被準(zhǔn)直后經(jīng)起偏器和樣品，光被反射后再經(jīng)檢偏器和探測器接受最后的信號，由計(jì)算機(jī)通過A/D轉(zhuǎn)換處理和分析。其特征在于出射光被準(zhǔn)直后經(jīng)兩個(gè)起偏器P0和P，其中固定的起偏器P0相對于入射面為零度，檢偏器A與旋轉(zhuǎn)的起偏器P采用2∶1系數(shù)同步旋轉(zhuǎn)。
2.一種紅外雙重富利埃變換的橢圓偏振光譜儀的設(shè)計(jì)方法，其特征在于紅外光源經(jīng)過紅外富利埃變換，出射光經(jīng)過準(zhǔn)直后經(jīng)過起偏器P0和起偏器P，入射到樣品，光被反射后經(jīng)檢偏器A由探測器接受，起偏器P0固定并垂直于入射面，檢偏器A和起偏器P采用2∶1同步旋轉(zhuǎn)，起偏器P和檢偏器A的初始位置與入射面垂直，對光子波長和檢偏器作雙重富利埃變換，探測器接受信號后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，由計(jì)算機(jī)作富利埃處理，其中得各波長光強(qiáng)信號是I(λ)=I0(λ)+I1(λ)cos(A)+I2(λ)cos(2A)+I3(λ)cos(3A)+I4(λ)cos(4A)式中，與波長對應(yīng)的直流分量為I0(λ)=1nΣi=1n[∫0∞I(δr)cos(2πδr/λ)dδr]i]]>式中，與波長對應(yīng)的各交流分量的光強(qiáng)信號為Ik(λ)=2nΣi=1n[∫0∞I(δr)cos(2πδr/λ)dδr]icos(kAi),k=1,2,3,4]]>通過各交流分量的自洽組合求得橢偏參數(shù)。
全文摘要
已有的紅外雙重富利埃變換的橢圓偏振光譜儀設(shè)計(jì)方法均采用單只起偏器,并由檢偏器作連續(xù)轉(zhuǎn)動。本發(fā)明在既對波長又對偏振角作雙重富利埃變換的同時(shí),采用兩個(gè)起偏器P
文檔編號G01J3/28GK1213076SQ98121928
公開日1999年4月7日 申請日期1998年9月30日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月30日
發(fā)明者陳良堯, 鄭玉祥, 張榮君, 夏國強(qiáng), 陳岳立, 趙海斌, 楊月梅, 褚君浩 申請人:復(fù)旦大學(xué)