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

EEpi

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

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：

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：

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：

r2

tg[1pr22p2r1pr2pcos21r21sr22s2r1sr2scos21/21r22r2]

1pr22p2r1pr2pcos1sr22s2r1sr2scos2

tg1r2p(1r21p)sin21r2s(1r21s)sin2

r(1r22p)r2)cos2tgr22

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

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/Ers

E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。