椭圆偏振仪实验- 41 -1 实验基本要求1.初步掌握椭圆偏振仪的基本结构和使用方法。2.学习测量布儒斯特角的方法。3.学习用消光法通过椭圆偏振仪对透明薄膜厚度与折射率进行测量的基本原理和方法。2 仪器简介1. WJZ-型多功能激光椭圆偏振仪。2、JJY 型分光计。3.实验原理1、 测量布儒斯特角，计算不透明物质的折射率自然光在两种介质的分解面上反射和折射时，反射光和折射光都将成为部分偏振光，在特定情况下，反射光有可能成为完全偏振光，其偏振方向垂直于入射面。在分光计的载物台上安放一个不透明的物体（要有抛光面）。令从平行光管出射的激光束直接投射在物体的抛光面上进行反射，让反射光射入检偏器。适当转动检偏器，使透过检偏器的光强为最小。这表明反射光是线偏振光，保持检偏器的位置不动，改变入射角，观察检偏器的光强，直到完全消光，此时，入射角为布儒斯特角 。根据布儒斯特定律：21ntg（1）其中， 为此不透明物体对空气的相对折射率。21n2、用消光法测薄膜的厚度与折射率当波长为 的椭圆偏振光以一定的入射角 照射到薄膜表面时，光路如图 10-1 所示。其中 、11n和 分别为空气、薄膜及衬底的折射率， 为薄膜的厚度。2n3 d图 10-1 光线在薄膜上下两个界面反射与折射的情况光线在薄膜的界面发生多次反射和折射，并且各反射光、折射光分别产生多光束干涉。波动光学指出，反射光束的振幅、相位与薄膜的厚度及折射率等密切相关，而反射光的振幅与相位的变化又决定了反射光偏振态的变化，因此可以推算出薄膜的厚度与折射率。入射到两介质界面的光矢量可以分解为入射面内振动的 分量和垂直于入射面的 分量。这两PS个分量在每一界面上反射时其反射率与相关的折射率和相位变化有关。 分量与 S 分量振幅的总反实验十- 42 -射系数分别记做 p 和 s。而总反射系数比（ p/ s）可以用来表征光束在反射前后偏振状态的变RR化。在用椭偏法测量薄膜厚度的过程中，为了简便，通常引入两个物理量 和 来描述反射光偏振状态的变化，它们与总反射系数比的关系定义为：spie/tan（2）此式称为椭偏方程，在 、 、 与 确定的条件下， 和 的变化范围为 和13 20。在实验中测量出入射光、反射光偏振状态的变化，实际就是要测得 和 。0 由于 、 (光程差)与 、 之间不易得到简单的函数关系，特别是当基底为导电物质时，计1n算更为复杂。因此，常常先用计算机制作出 、 与 、 对应的数据表，得到对应的 、 值，1nd1n再根据公式算出 值，甚至直接在表中查出 的数值。dWJZ-型多功能激光椭圆偏振仪配备了上述数据表和计算软件。可以在测量出起偏器读数盘及检偏器读数盘这两个数据后上机通过软件计算出 和 。24.仪器介绍1. WJZ-型多功能激光椭圆偏振仪1半导体激光器 2平行光管 3起偏器读数头 41/4 波片 5氧化锆标准样板6检偏器读数头 7望远镜筒 8半反目镜 9光电探头 10信号线 11分光计 12数字式检流计图 10-2 WJZ-型多功能激光椭圆偏振仪的结构WJZ-型多功能激光椭圆偏振仪的结构如图 10-2 所示。它的主要部件安装在分光计上，从激光器发出的光线，经过平行光管、带有读数头的一系列偏振器等，最后从望远镜出射时的光强由数字检流计显示。各主要部件的作用如下：(1) 偏振器读数头 3 和 6：一个做起偏器，一个做检偏器，读数头的下方有手动轮可用来转动偏振器以改变它们的透光轴的方向。旋转的角度可通过读数头窗口精确读出。注意：窗口内有两排刻度，上排为偏振器的角位置，下排为 1/4 波片的角位置，两排读数均利椭圆偏振仪实验- 43 -用中间的游标使读数更加精确。(2) 1 / 4 波片：1 / 4 波片由双折射晶体制成。它的光轴与表面平行。当有线偏振光垂直照射在 1/4 波片表面时，由于双折射的作用，光线将分解成 o 光和 e 光。它们的传播方向相同但从 1/4 波片出射时有 相2/位差。因为 o 光光矢量的振动为快轴的方向，而 e 光光矢量的振动为慢轴方向。（注：1/4 波片的光轴平行于其表面。用正晶体制成的 1/4 波片的快轴方向为垂直于光轴的方向，慢轴的方向即光轴的方向。而用负晶体制成的 1/4 波片则相反）。这两种光线在离开 1/4 波片时，根据相互垂直的简谐振动合成理论，它们必将合成为椭圆偏振光（如果适当调节 1/4 波片的方向使其光轴的方向与入射偏振光的振动方向夹角为 ，则合成圆偏振光）。45(3) 半反射目镜 8：它安装在望远镜的观察孔处，内部有一 45放置的玻璃片，用眼睛观察时，既可以沿镜筒方向观察，又可以从上方观察。本实验在镜筒的水平观察处安装一光电探头，以便接收光信号并通过数字式检流计予以显示。(4) 数字式检流计 12光电探头 9 接收到光信号时，其光强可通过数字式检流计 12 精确地显示出来。根据光强的大小需注意调节数字式检流计的灵敏度档位。 5.实验内容首先，用双面反射平面镜通过自准法调整调整好分光计。然后，调整望远镜与平行光管共轴。方法是：先卸下望远镜与平行光管的物镜（本实验不再用），将专用校光片(见图 10-3)分别安装在望远镜的两端。将半导体激光器安装在平行光管远离载物台的一端，通电后使半导体激光器发光。调节平行光管使光束恰好通过两个校光片的十字叉丝的正中央。校准后取下校光片。然后调整分光计刻度盘，使游标与刻度盘零线对准，以望远镜在转动时总可以读数为准。锁定分光计黑色游标盘，使望远镜转动时只带动数字盘。在完成以上调节工作后，可以开始做以下实验：1测黑色反光板的布儒斯特角，计算其折射率 1）定检偏器的位置及安放反光板在望远镜镜筒接近载物台的一端安装带,读数头的检偏器（将读数窗上排刻度圈的读数 90对准游标的 0 线）。安装后用手整体转动检偏器以调整它与望远镜的相对位置（此时检偏器读数头仍保持 90不变）。 这时检偏器的透光轴基本平行于入射面，拧紧三颗平头螺钉固定检偏器读数头的位置。将望远镜镜筒水平转动 66，再将一面抛光的黑色反光板安放在分光计载物台中央，安放时，反射面的中央应通过载物台的中心轴。使激光束直接照射在抛光面上发生反射。；2）调整反光板的位置，使反射光射入检偏器，（此时入射角大约 57），可以把检偏器在光线入射处的盖子取下，在不装检流计的探头的情况下，应从望远镜镜筒直接观察到反射光，从半反目镜也能看到圆的亮点从而在安装检流计后可以通过检流计的读数观察光强的变化；3）适当调整望远镜和反光板的相对位置，并转动检偏器，可观察到光强能达到最小值，这表明反射光是线偏振光。反复在该位置附近转动检偏器观察到完全消光，则此时入射角 为布儒斯特0i角，记下分光计水平读数盘的读数；4）分析和推算求出入射角 值，带入公式（1）求出反光板的折射率。0i 图 10-3 校光片实验十- 44 -2测氧化锆薄膜样品的厚度与折射率在上述“测黑色反光板的布儒斯特角”工作完成的基础上：1） 起偏器的位置从分光计载物台上取下反光板，把望远镜转回到正对着平行光管。在平行光管靠近载物台的一端安装带读数头的起偏器（可能需要降低载物台台面，暂时不要安装 1/4 波片），整体转动起偏器，使检流计显示的数字最小时将起偏器的三个固定螺丝拧紧（起偏和检偏器通光轴垂直）。2）定 1/4 波片的零位在起偏器的出光处加装 1/4 波片，安装时令读数窗下排刻度圈的 0读数对准游标的 0 线，转动 1/4 波片（保持下排刻度圈的 0读数）使检流计显示的数字最小。注：读数窗上排、下排和 1/4 波片可独立转动。1234651起偏器 21/4 波片 3检偏器 4光电探测器 5被测薄膜样板 6基片图 10-4 测量光路图3）安放样品，准备测量将望远镜镜筒转动 40，在载物台上安放待测样品。安放时，让样品薄膜与前述反光板一样让激光反射到检偏器内，使得在半反射目镜中能看到圆的光点。各组件安装后的光路如图 10-4 所示。4） 测量测量分两步进行。第一步：转动调整 1/4 波片位置的手轮，使读数窗下排刻度圈的 45对准游标的 0 线。然后交替转动调节起偏器和检偏器的手轮，可使检流计显示的数字越来越小。当认为读数达到最小时开始读取起偏器和检偏器刻度盘的读数（即读数窗上排刻度圈的读数）。由于转动起偏器和检偏器可出现不同位置的两次消光（即检流计光强最小），读数要分别记录：起偏器的读数记做 （大于 90）和 （小于 90）1A2A（注：记录 后，可先通过 + =180估计出 的值，将读数预先放在这个值上再调，可加快12进度。）与上述 和 相对应，检偏器的读数记做 （大于 90，如大于 180则先减去 180）和12 1P（小于 90）。（注：记录 后，可先通过 = 估计出 的值，将读数预先放在这2P12902P个值上再调，可加快进度。）椭圆偏振仪实验- 45 -第二步：转动调整 1/4 波片位置的手轮，使读数窗下排刻度的 315读数对准游标的 0 线。然后交替转动调节起偏器和检偏器的手轮，使检流计显示的数字越来越小。当认为读数达到最小时，开始读取起偏器和检偏器刻度盘的读数（即读数窗上排刻度的读数）。类似第一步可得到 和 以及 和 。3A43P46.注意事项1 个实验过程中不得旋动平行光管，以保证入射面不改变，否则会改变 坐标轴的方位而PS,使起偏器零点的位置发生改变。2整个实验过程中，特别是转动望远镜时，不得调节望远镜镜筒的高低。7.思考题1.用椭圆偏振仪对透明薄膜厚度与折射率进行测量的基本原理是什么？2.测量时，为什么要将 1/4 波片置于 45和 315的位置？多功能椭圆偏振仪调整要点 :一、主要步骤：（请结合教材 P134-135）1、 调整分光计；2、 调共轴（注意：用校光片，先不放检偏器调，可以用白纸防在望远镜的目镜处看光点是否在中央；然后放上检偏器再调，注意令水平盘的 0 对准游标的 0）；3、 定检偏器的位置（望远镜转 66，加黑色反光板，检偏器 90向上，使探测器光强达到最小，整体转检偏器合适后固定）；4、 定起偏器的位置（望远镜转回到与平行光管对正，起偏器 0向上，空载物台，整体转起偏器达到光强最小后固定）；5、 安装 1/4 波片，定 1/4 波片的 0 位（只转波片，不要转手动轮，使光强达到最小）；6、 望远镜转 40，放样品；7、 将 1/4 波片的手动轮转+45和-45，轮流转检偏器和起偏器达到光强读数最小，开始读取分光计的读数。注： 粗调时可以通过半反射镜判断光强是否最小，甚至可以在望远镜镜筒内观察。二、记录数据：+45时 1A2A1P2P-45时 3A4A3P4P实验十- 46 -三、上机处理数据，得到膜厚度 和其折射率dn