椭圆偏振法测量薄膜厚度和折射率思考题

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深 圳 大 学 实 验 报 告

课程名称： 近代物理实验

实验名称： 椭圆偏振法测量薄膜厚度及折射率

学院： 物理科学与技术学院

组号 指导教师：

报告人： 学号：

实验地点 实验时间：

实验报告提交时间：

一、 实验目的

1、利用椭偏仪测量硅衬底薄膜的折射率和厚度；提高物理推理与判别处理能力。

2、用自动椭偏仪再测量，进行比对；分析不同实验仪器两种方式的测量。提高误差分析与分配能力。

二、实验原理

椭偏法测量的基本思路是，起偏器产生的线偏振光经取向一定的1/4波片后成为特殊的椭圆偏振光，把它投射到待测样品表面时，只要起偏器取适当的透光方向，被待测样品表面反射出来的将是线偏振光。根据偏振光在反射前后的偏振状态变化（包括振幅和相位的变化），便可以确定样品表面的许多光学特性。

椭圆偏振法测量薄膜厚度及折射率

实验目的：

1、利用椭偏仪测量硅衬底薄膜的折射率和厚度；提高物理推理与判别处理能力。

2、用自动椭偏仪再测量进行对比；分析不同实验仪器两种方式的测量。提高误差分析与分配能力。

教学安排

手动测量记录P、A 2学时 自动测量并计算n、d 1学时 对比研究 1学时

原理综述：

椭圆偏振法简称椭偏法，是一种先进的测量薄膜纳米级厚度的方法，椭偏法的基本原理由于数学处理上的困难，直到上世纪40年代计算机出现以后才发展起来，椭偏法的测量经过几十年来的不断改进，已从手动进入到全自动、变入射角、变波长和实时监测，极大地促进了纳米技术的发展，椭偏法的测量精度很高（比一般的干涉法高一至二个数量级），测量灵敏度也很高（可探测生长中的薄膜小于0.1nm的厚度变化）。利用椭偏法可以测量薄膜的厚度和折射率，也可以测定材料的吸收系数或金属的复折射率等光学参数。因此，椭偏法在半导体材料、光学、化学、生物学和医学等领域有着广泛的应用。

通过实验，读者应了解椭偏法的基本原理，学会用椭偏法测量纳米级薄膜的厚度和折射率，以及金属的复折射率。

一、 实验原理

椭偏法测量的基本思路是，起偏器产生的线偏

椭圆偏振光法测定介质薄膜的厚度和折射率

Pb04210109 仲海兵 0406

实验目的：1.了解椭偏仪测量薄膜参数的原理。

2.初步掌握反射型椭偏仪的使用方法。

实验原理：

设介质层折射率分别为n1、n2、n3,φ1为入射角,在界面1和界面2处会产生反射光和折射光的多光束干涉,如图(1-1)：

?1 介质n1 界面1

薄膜n2 ?2 衬底n3 界面2

?3 图 1-1 用2?表示相邻两分波的相位差,其中?=2?dn2cos?2/?,用r1p、r1s表示光线的p分量、s分量在界面1的反射系数,用r2p、r2s表示光线的p分量、s分量在界面2的反射系数。由多光束干涉的复振幅计算可知：

Erp?r1p?r2pe?i2?1?r1pr2pe?i2?r1s?r2se?i2?Eip (1) Ers?Eis （2） ?i2?1?r1sr2se 其中Eip和

椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率

1. 实验目的

(1) 了解椭偏光法测量原理和实验方法； (2) 熟悉椭偏仪器的结构和调试方法； (3) 测量介质薄膜样品的厚度和折射率。

2. 实验原理

本实验介绍反射型椭偏光测量方法。其基本原理是用一束椭偏光照射到薄膜样品上，光在介质膜的交界面发生多次的反射和折射，反射光的振幅和位相将发生变化，这些变化与薄膜的厚度和光学参数（折射率、消光系数等）有关，因此，只要测出反射偏振状态的变化，就可以推出膜厚度和折射率等。

2.1 椭圆偏振方程

图1所示为均匀、各向同性的薄膜系统，它有两个平行的界面。介质1为折射率为n1的空气，介质2为一层厚度为d的复折射率为n2的薄膜，它均匀地附在复折射率为n3的衬底材料上。φ1为光的入射角，φ2和φ3分别为薄膜中和衬底中的折射角。

Ip

Op

Ip

IIp

图1 薄膜系统的光路示意图

光波的电场矢量可分解为平行于入射面的电场分量（p波）和垂直于入射面的电场分量（s波）。用(Ip)i和(Is)i分别代表入射光的p分量和s分量，用(Ip)r和(Is)r分别代表各反射光Op，Ip，IIp···中电矢量的p分量之和及各束反射光s分量之和。定义反射率（反射系数）r为反射光电矢量的振幅与

用迈克尔逊干涉仪测量单层薄膜的厚度和折射率

实验的改进

于海峰 蒋晓冬 韩厚年 （淮阴工学院 淮安 223003）

摘要：迈克尔逊干涉实验是大学物理实验中的一个重要实验，本文对迈克尔逊干涉仪测定薄膜的厚度和折射率实验的传统方法进行了改进，我们对原测量仪器稍做调整,提高了条纹视见度,减少了测量误差，提高了测量精度。

关键词：迈克尔逊干涉仪；光程；薄膜厚度；折射率；等厚干涉;白光干涉 引言

目前测量薄膜厚度和折射率的方法有多种，例如椭偏法、准波导法等等[1][2]。其中在实验室中最常用、最简单方便的方法是利用迈克尔逊干涉方法来进行测量。

迈克尔逊干涉仪是一种典型的分振幅双光束干涉装置,可用于观察光的干涉现象，测定单色光的波长，测定光源的相干长度。附加适当装置后，可以扩大实验范围，其中，用来测量薄膜的厚度和折射率就是其扩展实验之一。 问题提出

用迈克尔逊干涉仪测薄膜的厚度和折射率, 是利用在光程差约等于零时观测白光的彩色等厚干涉条纹。其做法是先调出白光条纹，然后将薄膜放在分光板G2与反射镜M2之间(薄膜与光线垂直),或薄膜贴在M2镜上，再调出零光程差的彩色干涉条纹,反射镜移动距离d与薄透明体厚度l、透明体折射率n、空气折射率n0有关系式

测量 棱镜 折射率

最小偏向角法测量棱镜的折射率

测量 棱镜 折射率

【实验目的】 实验目的】1.熟练掌握分光计的调节方法。 .熟练掌握分光计的调节方法。 2.用最小偏向角法测定棱镜玻璃的 . 折射率。 折射率。

【仪器及用具】 仪器及用具】分光计，汞灯，三棱镜。 分光计，汞灯，三棱镜。

测量 棱镜 折射率

【实验原理】 实验原理】 棱镜玻璃的折射率， 棱镜玻璃的折射率 ， 可用测定最 小偏向角的方法求得，如图1所示 所示。 小偏向角的方法求得，如图 所示。光 线经棱镜两次折射后， 线经棱镜两次折射后 ， 出射光线产生 了偏转， 在入射光线与出射光线处于 了偏转 ， 在入射光 线与出射光线处于 光路对称时，其偏转的角度为最小。 光路对称时，其偏转的角度为最小。

测量 棱镜 折射率

图1

可以证明， 即 i1 = i ,记为δ m。可以证明，棱镜 δm n 与棱镜角A、 的折射率 与棱镜角 、最小偏向角 有如下关系： 有如下关系：' 2

测量 棱镜 折射率

【实验内容】 实验内容】

A + δm sin 2 n= A sin 2

1.分光计的调整：按分光计的调节法进行。 .分光计的调整：按分光计的调节法进行。 2.测定最小偏向角：以汞灯为光源。 .测定最小偏向角：以汞灯

实验题目 用分光计测量玻璃棱镜折射率

【实验目的】

1、了解分光计的结构并掌握调节和使用方法. 2、掌握测定棱镜角的调整技巧与方法.

【实验仪器】

1、待测三棱镜 2、钠灯

3、分光计(附变压器、平面镜、手持照明放大镜) 4、会聚透镜

【实验原理】

1、 自准直法测量三棱镜的顶角

三棱镜由两个光学面AB和AC及一个毛玻璃面BC构成.三棱镜的顶角是指AB与AC的夹角?.如图所示,自准直法就是使自准直望远镜光轴与AB面垂直,使三棱镜AB面反射回来的小十字像位于准线中央,并由分光计的度盘和游标盘读出这时望远镜光轴

相对于某一个方向OO的角位置?1;再把望远镜转到与三棱镜AC 自准直法测三棱镜顶角

面垂直, 由分光计的度盘和游标盘读出这时望远镜光轴相对于OO的角位置?2.于是,望远镜转过的角度为

''???2??1,三棱镜的顶角??180???.由于制造上的原因,分光计带有一定的偏心差,即分光计的主轴可能

不在分度盘的圆心上,而略微偏离分度盘圆心.因此,望远镜绕过的真实角度与分度盘上反映出的角度有偏差.为了消除这种误差,分光计分度盘上设置了相隔180的两个读数窗口A与B,而望远镜读数则由两个窗口各自读数的平均值来决定.其中

??

材质 IOR 值
空气 1.0003
液体二氧化碳 1.200
冰 1.309
水(20度) 1.333
丙酮 1.360
普通酒精 1.360
30% 的糖溶液 1.380
酒精 1.329
面粉 1.434
溶化的石英 1.460
Calspar2 1.486
80% 的糖溶液 1.490
玻璃 1.500
玻璃，锌冠 1.517
玻璃，冠 1.520
氯化钠 1.530
氯化钠（盐）1 1.544
聚苯乙烯 1.550
石英 2 1.553
翡翠 1.570
轻火石玻璃 1.575
天青石 1.610
黄晶 1.610
二硫化碳 1.630
石英 1 1.644
氯化钠（盐）2 1.644
重火石玻璃 1.650
二碘甲烷 1.740
红宝石 1.770
兰宝石 1.770
特重火石玻璃 1.890
水晶 2.000
钻石 2.417
氧化铬 2.705
氧化铜 2.705
非晶硒 2.920
碘晶体 3.340
常用晶体及光学玻璃折射率表
物质名称 分子式或符号 折射率
熔凝石

yaoyongdeo

用阿贝折射仪测液体的折射率

折射率是透明材料的一个重要光学常数。测定透明材料折射率的方法很多，全反射法是其中之一。全反射法具有测量方便快捷，对环境要求不高，不需要单色光源等特点。然而，因全反射法属于比较测量，故其测量准确度不高（大约Δn=3×10），被测材料的折射率的大小受到限制（约为1.3～1.7），且对固体材料还需制成试件。尽管如此，在一些精度要求不高的测量中，全反射法仍被广泛使用。

阿贝折射仪就是根据全反射原理制成的一种专门用于测量透明或半透明液体和固体折射率及色散率的仪器，它还可用来测量糖溶液的含糖浓度。它是石油化工、光学仪器、食品工业等有关工厂、科研机构及学校的常用仪器。

4

一、实验目的

1．加深对全反射原理的理解，掌握应用方法。

2．通过对几种液体折射率的测量，学会使用阿贝折射仪。

二、教学重、难点 重点：实验原理的理解 阿贝折射仪的结构 难点：阿贝折射仪的结构

三、实验原理

由全反射定律可知，当光线从光密媒质进入光疏媒质

时，若入射角为某个特定角，其折射角可达90o，此入射角称为全反射临界角。反之，当光线以90o入射角自光疏媒质进入光密媒质时，其折射角即为全反射临界角。

如图所示,在进光棱镜A‵

常用物体折射率的介绍

常用物体折射率表

常用物体折射率表常用物体折射率表

材质 IOR 值

空气 1.0003

液体二氧化碳 1.200

冰 1.309

水(20度) 1.333

丙酮 1.360

普通酒精 1.360

30% 的糖溶液 1.380

酒精 1.329

面粉 1.434

溶化的石英 1.460

Calspar2 1.486

80% 的糖溶液 1.490

玻璃 1.500

玻璃，锌冠 1.517

玻璃，冠 1.520

氯化钠 1.530

氯化钠（盐）1 1.544

聚苯乙烯 1.550

石英 2 1.553

翡翠 1.570

轻火石玻璃 1.575

天青石 1.610

黄晶 1.610

二硫化碳 1.630

石英 1 1.644

氯化钠（盐）2 1.644

重火石玻璃 1.650

二碘甲烷 1.740

红宝石 1.770

兰宝石 1.770

特重火石玻璃 1.890

常用物体折射率的介绍

水晶 2.000

钻石 2.417

氧化铬 2.705

氧化铜 2.705

非晶硒 2.920

碘晶体