面阵CCD探测的全自动椭圆偏振光谱系统研究

引言 采用现代光学方法可对许多固体材料的宏观和微观物理性质进行深入研究.其中最直接的方法就是测量各种固体材料的光学常数随光子能量或波长的变化关系,从而与微观机理相联系,来认识和理解光与物质相互作用的本质[1].因此,在凝聚态光学性质研究领域里已发展出多种用于光学常数准确测量的方法.光学椭圆偏振方法是目前应用较多的一种.椭偏光谱实验系统有多种模式,如消光式和光度式等.消光式椭偏系统在弱信号和背景噪声较大的红外光谱区较难实现,且检测速度较慢.光度式椭偏系统采用了对光强随起偏或检偏方位角变化作傅立叶分析的方法,能够快速准确地测得椭偏参数.目前,光度型椭偏实验系统有同步旋转检偏和起偏器(RAP)、旋转检偏器(RAE)以及本实验系统采用的旋转起偏器等方式,在可见光谱区被深入研究,并获得成功应用,成为研究各种材料光学性质的重要工具和手段[2~10]. 在实验室环境下使用的高性能光谱分析系统大多存在结构复杂、体积和质量大等缺点.针对这些问题,我们对在固体光学性质研究领域具有重要应用的椭圆偏振光谱分析系统作了结构上的改进,研制的新型二维CCD光谱分析系统可在很短时间内测得完整的光谱数据,显著缩短了测量时间,从而提高了光谱获取和数据分析的效率. 1　实验原理和方法 在光度型的椭圆偏振光谱测量分析系统中,都要用到被称为单色仪的单色光子能量分析器,用于对光的波长和能量作扫描分析.实际上,单色仪由多种光学元件构成,所采用的光学色散元件都带有较强的偏振性,其偏振性随波长而改变.为了使单色仪的偏振性不对实验系统产生不可控制的影响,在已研究的椭偏光谱测量方法中,都采用了将单色仪置于系统最前端的单色仪前置方式[2~10].从单色仪出射的单色光,经过固定起偏器,再进入测量系统,这样光的偏振方向将仅取决于起偏器的方位角,而与单色仪的偏振特性无关.这种测量原理和方式的优点是所用到的单色仪等光学器件较为成熟,光谱分辨率高.当需要作入射角可变的光谱测量时,可将较轻的探测器设计安装在检偏器的同一转动臂上,如选用合适的探测器(半导体探测器或具有平端窗口的光电倍增管),探测器的固有轻微偏振特性对光学系统的影响可忽略不计.但这种方式的缺点是每次都为单波长测量,在全光谱范围内对波长进行扫描测量需要较长的时间,对光谱信息进行获取和研究的效率也较低. 为提高椭偏光谱测量和分析的效率,需研究一种新的非波长扫描的方法,将面阵型CCD探测器与光栅单色仪结合在一起,组成新型的光子能量检测系统.在实验中需要将这种新设计的光谱分析系统置于检偏器的后端.然而为了克服光谱仪偏振性对椭偏参数测量所产生的不可忽略的影响,在光谱仪后置以及旋转偏振器的测量原理中,必须采用固定检偏器和旋转起偏器的方式. 图1显示了采用面阵型CCD探测器的椭圆偏振光谱实验系统的原理.图中Polarize和Analyzer分别为可旋转的起偏器和固定的检偏器,Polarize的初始方位角垂直于入射面,Analyzer的方位角被固定在与入射面成45°.在测量中,Polarize以ω0速度旋转.从起偏器Polarize出射的偏振光入射到样品表面,入射角为Φ,偏振面不断旋转的探测光被样品反射后其偏振态发生了改变,再经过检偏器Analyzer,最后的光信号由探测器检测和分析.   若起偏器和检偏器与s光方向的夹角分别为P和A,进入探测器的光其电场强度可用下式表示:   其中r~s和r~p分别是样品相对于垂直入射面(s光方向)和平行于入射面(p光方向)分量的复反射系数,则探测器接收到的光强为   其中η是与光学系统和光强有关的一个参量.按图1的测量原理,将A=45°代入式(2),则   其中I0是直流分量,其余为交流分量.经过计算可以得到   直流分量I0中的IB是本底信号,来自于探测器的暗电流.根据式(4)中的3个分量就可以计算出椭偏参数ρ0和cosΔ,即   对式(3)中起偏器的方位角作数值傅立叶变换,可求得光强的值为 式中Ii是起偏器方位角为Pi时探测器所接收到的光强信号,λ是相应的波长,n是检偏器在旋转一个周期内按Pi值作数据采集的次数.一旦椭偏参数ρ0和cosΔ被测定后,利用两相模型即可以计算出样品的表观介电常数εs,即

  式中εa是与样品接触媒质的介电常数,一般为空气,εa=1,φ是光的入射角,有