椭偏仪的结构原理与发展

　　1概述

　　椭圆偏振测量技术是研究两媒质间界面或薄膜中发生的现象及其特性的一种光学方法，基于利用偏振光束在界面和薄膜上反射或透射时出现的偏振态的变化。由于它的非扰动性和高灵敏度，因而在科学研究和工业生产的许多领域中获得广泛的应用。

　　因为从一束反射偏振光中决定相对位相变化较简单的反射率测量要灵敏得多，因而椭偏测量较强度反射率测量更为精确，而反射光的绝对强度是不能测量的。改变光束入射角度和测量所用光束波长(分光)相结合更能从一个给定的样品采集到大量有用的数据，以适应各种不同的样品材料和结构，扩大测量范围。

　　椭偏测量基本上就是光束偏振态测量。通常，椭偏测童将样品描述为一个改变光束偏振态的“光学系统”，而对于薄膜样品分析则这个“光学系统”简单地是光从样品的反射。

　　椭偏仪所测量的量是电场S分量和P分量的反射系数的比值p，即

　　由此可知，椭圆偏振测量的量值主要是两个量的比值，因此测量可以是非常精确的和很好再现的。由于比值是复数，它含有“位相”(△)信息，因而测量是十分灵敏的对于单层薄膜，如图1所示，中和△与被测材料物理量的关奔可以表达如下:

　　由上述公式可以看出，椭圆偏振测量可以用于确定薄膜厚度t和光学常数几，而且是很灵敏的。因而是用于确定近紫外、可见和近红外波长区域薄膜光学常数的首选技术。近几年来，由于自动光谱数据采集系统和快速数字微型电子计算机的发展，椭圆偏振测量技术已被广泛用于常规的样品分析。光谱椭偏测量技术与入射角自动变化相结合更是一项非常有用的薄膜测量技术。

　　2测量方法

　　椭圆偏振测量技术并不是直接测量有关样品的参数(厚度、光学常数等)，而是测量与这些参数有函数关系的量值。然后必须求解模拟测量数据的反间题，以确定样品参数(这些样品参数与测量数据达到最佳匹配)。通常，整个测量过程可以分为下列四个步骤。

　　首先，通过光学实验测量出如反射光或透射光的强度和偏振态，它们可以是光束波长、入射角和或偏振态的函数。其次，以已知样品特性参数为根据精确地构成数学模型。这模型应包含有某些已知的参数，如入射光束波长、入射角和入射光束偏振态等;当然这模型也包含某些未知的物理参数，如膜层厚度和光学常数等。然后，改变物理参数并计算数据，直到求得一组可变参数，使得到的计算数据与测得的光学数据紧密匹配。得到的这些参数便精确地表示被测样品的真实物理结构。为此，通常采用多元回归算法进行拟合。最后则是关于模型最佳拟合的评价，通常可以用一个统计量作为评价标准，表示拟合结果的精度，例如