專利名稱：用于紫外－近紅外波段橢圓偏振光譜儀的相位補償器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種橢圓偏振光譜儀，尤其涉及一種用于紫外-近紅外波段橢圓偏振光譜儀的相位補償器。
背景技術(shù)：
橢圓偏振光譜技術(shù)是通過測量光在兩種介質(zhì)的界面上反射時偏振狀態(tài)的變化，獲得物質(zhì)的介電函數(shù)、光學常數(shù)和薄膜結(jié)構(gòu)的測試手段。它可廣泛應用于各類新材料、薄膜材料、異質(zhì)結(jié)構(gòu)等光電子材料的光學和物理特性的研究中，無論在科學實驗、前沿科學領(lǐng)域，還是在高新技術(shù)應用領(lǐng)域，都具有重要意義。在化學、通訊、數(shù)據(jù)存貯、平板技術(shù)、光刻技術(shù)、光學鍍膜、半導體工藝和研發(fā)等領(lǐng)域具有廣泛的應用。
旋轉(zhuǎn)偏振器式橢圓偏振光譜儀因具有寬的光譜范圍、高精度和準確性而得到成功應用。但其存在的最大局限是不能通過一次測量同時獲取歸一化Stokes矢量的三個分量，導致對具有低橢偏率角的偏振光，即接近于線偏振光(對應于Δ～0°和±180°)的表征時測量精度和準確度下降。
當對在透明基底(如玻璃)上的薄膜成核和生長(此時在寬光譜范圍內(nèi)Δ～0°)或?qū)Π雽w或金屬上的的厚介電膜(此時隨著波長的變化Δ周期性的從0°到±180°變化)進行測量時，會產(chǎn)生較大的測量誤差。解決此問題的有效途徑是在橢圓偏振光譜儀光路中加入相位補償器，采用固定起偏器(P)、旋轉(zhuǎn)補償器(C)和固定檢偏器(A)橢偏儀布局方案(RCE)。RCE具有很多優(yōu)點，包括(1)準確的在整個測量范圍內(nèi)確定橢偏參數(shù)Ψ和Δ(ψ＝0-90°，Δ＝0-360°)；(2)無輸入和輸出剩余偏振態(tài)靈敏性(由于輸入端起偏器固定，輸出端檢偏器固定)；(3)具有直接測量樣品退偏振能力。
雖然光譜型RCE系統(tǒng)具有很多優(yōu)點，問題是要制造出紫外-近紅外寬波段旋轉(zhuǎn)相位補償器存在著困難。近年來，該挑戰(zhàn)在一定波長范圍內(nèi)得到解決，采用單片和雙片雙折射波片或三反射棱鏡在有限波段來實現(xiàn)相位延遲，但該類補償器由于相位延遲依賴于波長的1/λ關(guān)系，或由于p光和s光在近紅外波段相移幾乎不變，不可避免的在部分波段，相位Δ經(jīng)過180°，不能實現(xiàn)寬波段相移。
由圖1可見當采用固定起偏器(P)、旋轉(zhuǎn)補償器(C)和固定檢偏器(A)的RCE布局時，入射到探測器上的Stokes矢量Sf為Sf＝[MAR(A)]MS[R-1(C)MCR(C)][R-1(P)MP]Si(1)其中Si為入射光的Stokes矢量，MA、MS、MC和MP分別是檢偏器、樣品、旋轉(zhuǎn)補償器和起偏器的Mueller矩陣。探測器上的光強信號可表示成如下形式I＝I0(α0-α2ccos2C+α2ssin2C+α4ccos4C+α4ssin4C) (2)其中I0α0是入射光的平均值，C＝ωt是補償器在時間t時的方位角，一個直流分量和四個交流分量如下α0＝(1/2)(1-cosδc)(cos2Acos2P-cos2Pcos2Ψ+sin2Asin2Psin2ΨcosΔ)-cos2Acos2Ψ+1 (3)α2c＝-sin2Asin2Psinδcsin2ΨsinΔ (4)α2s＝sin2Acos2Psinδcsin2ΨsinΔ(5)α4c＝(1/2)(1-cosδc)(cos2Acos2P-sin2Pcos2Ψ+sin2Asin2Psin2ΨcosΔ)(6)通過測量補償器旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)探測器上光電流的變化，并進行FFT變換后，橢偏參數(shù)可以通過四個交流分量獲得
tan2Ψ=-[(a2s2+a2c2)(1-cosδc)2/sin2δc+4(a4scos2P-a4csin2P)2]1/22(a4ccos2P+a4ssin2P)---(7)]]>tanΔ=(1-cosδc2sinδc)a2csin2P-a2scos2Pa4csin2P-a4scos2P---(8)]]>由式(4-6)可知，當δC＝0或±180°時，RCE系統(tǒng)回到旋轉(zhuǎn)偏振器布局，此時當Δ～0°或±180°時，系統(tǒng)測量誤差很大，因此要求采用補償器來相移δC使Δ偏離0°或±180°?，F(xiàn)有的相移方案是δC～90°，因為從理論上說此時系統(tǒng)測量誤差最小。在設計中同時利用光學常數(shù)和波長兩個參數(shù)，控制δC的變化|ΔδC|＜90°，這便是現(xiàn)有各種旋轉(zhuǎn)式補償器設計的基本出發(fā)點。但由于波長從紫外-近紅外變化范圍跨越23倍頻，因此采用該實現(xiàn)方法的補償器光譜范圍不能足夠?qū)挕?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是提供了一種用于紫外-近紅外波段橢圓偏振光譜儀的相位補償器，旨在解決上述缺陷。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明包括二塊各向同性晶體材料組成，并以角度θ成半個平行四邊形，角度θ在45°-90°之間。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是應用波段寬，覆蓋紫外、可見和近紅外波段；長度比其1/4波相移補償器減小300％，體積小，重量輕；內(nèi)全反射光斑比其1/4波相移補償器減小288％，光學加工要求降低、光在晶體材料中的光程大大減??；機械安裝調(diào)整容易，能夠用于寬波段旋轉(zhuǎn)補償器結(jié)構(gòu)橢圓偏振光譜儀中。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的RCE系統(tǒng)；
圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖；圖3是采用本發(fā)明的一個實施例；具體實施方式
下面結(jié)合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述由圖2可見本發(fā)明包括二塊各向同性晶體材料組成，并以角度θ成半個平行四邊形，角度θ在45°-90°之間；所述的各向同性晶體材料可以是HfO2或ZrO2或SrTiO3或Al2O3；所述的各向同性晶體材料是ZrO2，所述的角度θ是48°；采用如圖2的光學結(jié)構(gòu)構(gòu)造旋轉(zhuǎn)式寬波段相位補償器，它是由兩塊對稱的角度為θ的平行四邊形組成。其基本原理是利用在入射面內(nèi)p光和s光分量內(nèi)全反射時相位的改變差實現(xiàn)的。一對平行四邊形內(nèi)的四次反射能產(chǎn)生四分之一、半波或其它相位延遲。采用如下公式計算該相位延遲器的相位延遲tanδC8=-cosθsin2θ-(1n)2sin2θ]]>其中n為晶體材料的折射率。
在常規(guī)補償器的設計中關(guān)注的是以δC～90°為中心，而在本發(fā)明中選擇角度θ是δC以270°為中心相移角度。其優(yōu)點是使得補償器長度要減小300％，補償器體積大大縮小，輕便、小巧。更重要的是內(nèi)全反射光斑減小288％，光學加工要求降低、光在晶體材料中的光程大大減小，機械安裝調(diào)整容易，能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)式補償器結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的調(diào)節(jié)方式是這樣的將本發(fā)明置于配套的圓形外套內(nèi)，然后將外套裝入調(diào)節(jié)架上。利用He-Ne激光器所發(fā)出的光束來準直。旋轉(zhuǎn)補償器，在四米外觀察光斑圍繞中心點的繞動，仔細調(diào)整固定補償器的微調(diào)螺絲，使得補償器旋轉(zhuǎn)時同心度優(yōu)于0.01°。
采用實現(xiàn)寬波段補償器的材料可以是HfO2，ZrO2，SrTiO3，Al2O3等各向同性晶體材料，下面給出一設計實例氧化鋯(ZrO2)是一種立方晶體，從紫外-紅外(8微米)波段具有高折射率和低吸收系數(shù)，低溫度系數(shù)，且晶體尺寸大，適合制作紫外-近紅外寬波段相位補償器。選取角度θ＝48°，發(fā)現(xiàn)在寬波段相移δC能滿足～270°±20°(圖3)。另一點需要注意的是在橢圓偏振光譜中的單色光是準平行的，通常發(fā)散角為0.1°，我們計算了θ＝48±0.1°時對δC的影響，結(jié)果如圖3所示。在紫外-近紅外寬波段偏差ΔδC＜0.6°，能很好的滿足要求。
取入射光斑面積尺寸為8mm，設計出的旋轉(zhuǎn)補償器長度僅為17.7mm，該尺寸與同樣光斑大小的旋轉(zhuǎn)偏振器尺寸相當，適合應用到橢圓偏振光譜儀中。
權(quán)利要求
1.一種用于紫外-近紅外波段橢圓偏振光譜儀的相位補償器，其特征在于包括二塊各向同性晶體材料組成，并以角度θ成半個平行四邊形，角度θ在45°-90°之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于紫外-近紅外波段橢圓偏振光譜儀的相位補償器，其特征在于所述的各向同性晶體材料可以是HfO2或ZrO2或SrTiO3或Al2O3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于紫外-近紅外波段橢圓偏振光譜儀的相位補償器，其特征在于所述的各向同性晶體材料是ZrO2，所述的角度θ是48°。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于紫外－近紅外波段橢圓偏振光譜儀的相位補償器，包括二塊各向同性晶體材料組成，并以角度θ成半個平行四邊形，角度θ在45°－90°之間；本發(fā)明的有益效果是應用波段寬，覆蓋紫外、可見和近紅外波段；長度比其1/4波相移補償器減小300％，體積小，重量輕；內(nèi)全反射光斑比其1/4波相移補償器減小288％，光學加工要求降低、光在晶體材料中的光程大大減??；機械安裝調(diào)整容易，能夠用于寬波段旋轉(zhuǎn)補償器結(jié)構(gòu)橢圓偏振光譜儀中。
文檔編號G01J3/00GK1828368SQ20051002422
公開日2006年9月6日 申請日期2005年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月4日
發(fā)明者黃志明, 黃正義, 胡菊芳, 王佩琳, 褚君浩 申請人:上海三科儀器有限公司