椭偏法测薄膜厚度

上传者：柴苍修
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上传时间：2015-05-10
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椭偏法测薄膜厚度

实验目的

1. 测量透明介质薄膜厚度和折射率。

2. 测量布儒斯特角，验证马吕斯定律及偏光分析等偏振实验。

实验原理

1. 介质膜的测量

使一束自然光经起偏器变成线偏振光。再经1/4波片，使它变成椭圆偏振光入射在待测的膜表面上。反射时，光的偏正态将发生变化。通过检测这种变化，便可以推算出待测膜面的某些光学参数（如膜厚和折射率）。

2.椭圆方程与薄膜折射率和厚度的测量

光学均匀和各向性的单层介质膜有两个平行的界面。通常，上部都是折射率为n1的空气（或真空）。中间是一层厚度为d折射率为n2的介质薄膜，均匀地附在折射率为n1的衬底上。当一束光射到膜面上时，在界面1和界面2上形成多次反射和折射，并且各反射光和折射光分别产生多束干涉。其干涉结果反映了薄膜的光学特性。

3.金属负折射率的测量

介质膜对光的吸收可能忽略不计，其折射率为实数，当测量表面为金属时，由于其为电媒介，存在不同程度的吸收，根据相关理论，金属的介电常数是复数，其反射率亦为复数。

实验仪器

WJZ-II椭圆仪结构如下图所示：

1、半导体激光器 2、平行光管 3、起偏器读数头（与6可换用） 4、1/4波片读数头 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

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实验内容

1. WJZ-II椭圆仪的调整（详细操作见JJYI分光计说明书）

（1）用自准直法调整好分光计，时望远镜和平行光管共轴并与载物台平行

（2）分光计度盘的调整：使游标与刻度盘零刻度线适当位置，当望远镜转过一定角度时不致无法读数

（3）光路调整

（4）检偏器读数头位置的调整与固定

（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

2.薄膜厚度d和折射率n的测量

（1）将待测样品，放置在载物台的中央，旋转载物台使达到预定的入射角70°，即望远镜转过40°，并使反射光在目镜上形成一亮点。

（2）为了减小误差，采用4点测量法。先置1/4波片快轴于+45°（即旋转波片盘），仔细调节检偏器A和起偏器P，使目镜内的亮点最暗（或检流计示数最小）记下A值和P值，这样就可以测得两组消光位置数值。

（3）同（2）再置1/4波片快轴与-45°（315°），做相同操作，记下两组消光位置数值。数据处理与结果讨论

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经过归一化处理和求平均值可得到

A=10， P=108.5

2.数据处理使用专门的数据处理软件（详见软件说明书）

使用软件对所测数据进行处理后，可以得到该薄膜物质的厚度是121.5nm，折射率是2.085。考虑到厚度的周期以及同样品参数比对，最终的结果为：

厚度d=697.5nm, 折射率n=2.085

3. 当然，这个实验结果还是有误差的，在调节起偏器P，使目镜内的亮点最暗(或检流计值最小)，但目镜内的亮度很小，不易观察到亮光，而检流计的示数也一直在变化，我也只能在检流计显示的最小值附近读取P的值，这个P值与真实的值之间有一定的误差，这样就使得测得的薄膜厚度与折射率与真实值有误差。

仪器本身也有一定的系统误差，而且外界的光也有一部分时不时照在仪器光接收的部位，这也可能是造成检流计读书一直变化，不稳定的原因。

参考文章

椭圆偏振仪测量薄膜厚度和折射率

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