專利名稱：一種波片相位延遲的精密測量系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于偏振光學(xué)檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種適用于測量波片相位延遲的精密測量方法及其系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
波片是偏振光學(xué)技術(shù)中的重要元件，常用于橢偏測量或光學(xué)精密儀器測量中以改變光的偏振狀態(tài)，相位延遲作為波片的主要技術(shù)參數(shù)，對于實(shí)驗(yàn)結(jié)果有著非常重要的影響。 波片相位延遲的測量方法有很多，主要有補(bǔ)償法、橢偏法、光強(qiáng)法、分頻激光探測法等。其中技術(shù)成熟的捕偏儀(RCE)(參見 Dill et al. Rotating-Compensator Ellipsometer [P]. United States Patent :4,053, 232,1977)經(jīng)常被用于測量波片的相位延遲，該方法需要通過測量空氣(空矩陣)定標(biāo)系統(tǒng)中補(bǔ)償器的延遲量。一方面，空矩陣的測量誤差影響補(bǔ)償器延遲量的定標(biāo)誤差；另一方面，對于多個波長的相位延遲測量，該方法需要在每個波長定標(biāo)補(bǔ)償器的相位延遲，非常繁瑣；此外，由于已經(jīng)利用測量空氣對系統(tǒng)定標(biāo)，波片樣品測量中空氣的測量作為該系統(tǒng)的測量精度不再具有實(shí)際意義。其他測量方法，如補(bǔ)償法、光強(qiáng)法等、分頻激光法等，不僅存在與橢偏儀相同的問題，而且有的需要人工操作，有的測試裝置復(fù)雜且速度慢，有的價(jià)格昂貴。另外，在測量系統(tǒng)中，偏振元件的方位角誤差是主要的誤差源之一。文獻(xiàn)[I](參見 R. Kleim, L. Kuntzler, and A. El Ghemmaz. Systematic errors in rotating-compensator ellipsometry[J], J. Opt. Soc. Am. A, 1994，11 (9) :2550 2559)描述了一種雙區(qū)域測量法以消除測量系統(tǒng)中方位角誤差的一階效應(yīng)。具體測量方法為分別旋轉(zhuǎn)偏振片到兩個對稱位置，測量得到待測樣品的相位延遲S i、δ2。待測樣品的實(shí)際測量值δ為兩次測量的平均值，g卩δ = (δ1+δ2)/2。盡管如此，由于很難精確定標(biāo)偏振片的方位角初始位置，導(dǎo)致雙區(qū)域測量方法中兩個區(qū)域的偏振片方位角不再對稱，從而不能完全消除方位角誤差的一階效應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種波片相位延遲的精密測量系統(tǒng)，利用其可對波片相位延遲進(jìn)行精密的測量。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下設(shè)計(jì)方案—種波片相位延遲的精密測量系統(tǒng)，包括一光源，在該光源發(fā)出光的前進(jìn)方向上依次放置光纖耦合器、起偏器、補(bǔ)償器及置于樣品臺上的待測樣品，所述的補(bǔ)償器由步進(jìn)電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)，該電機(jī)的驅(qū)動由一電子計(jì)算機(jī)實(shí)行控制，在待測樣品之后且沿光的前進(jìn)方向設(shè)置有偏振片、檢偏器、成像透鏡、單色儀和探測器，探測器輸出的光強(qiáng)信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡傳至電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；所述的電子計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡控制單色儀選擇波長； 電子計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送脈沖信號到電機(jī)驅(qū)動以控制電機(jī)以一定步長旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器。所述波片相位延遲的精密測量系統(tǒng)的光源為連續(xù)譜光源，優(yōu)選氙燈或溴鎢燈。
所述波片相位延遲的精密測量系統(tǒng)的起偏器、偏振片和檢偏器均采用二向色性起偏器或雙折射起偏器中的一種。所述的波片相位延遲的精密測量系統(tǒng)的補(bǔ)償器為云母或石英或其他材料的波片， 延遲范圍為60° -120°。所述波片相位延遲的精密測量系統(tǒng)的單色儀為反射型光柵；所述的探測器為光電二極管、光電倍增管或CCD圖像傳感器，優(yōu)選為CCD圖像傳感器。本發(fā)明波片相位延遲的精密測量系統(tǒng)可用于對任意延遲的波片進(jìn)行精密測量，測量精度高，且配用CCD作為探測器后可以實(shí)現(xiàn)多波長的同時測量。本發(fā)明的另一目的是提供一種波片相位延遲的精密測量方法，利用該方法可免除現(xiàn)有技術(shù)對波片相位延遲進(jìn)行精密測量時需補(bǔ)償器在不同波長下需重復(fù)定標(biāo)的麻煩及定標(biāo)不準(zhǔn)確帶來的影響，且還可消除偏振元件方位角誤調(diào)的影響。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下設(shè)計(jì)方案一種波片相位延遲的精密測量方法，首先建立上述的波片相位延遲的精密測量系統(tǒng)，使得光源發(fā)出的光依次通過光纖耦合器、起偏器、補(bǔ)償器、待測樣品、偏振片、檢偏器、成像透鏡和單色儀后由探測器接收；所述的波片相位延遲測量方法是通過自校準(zhǔn)方法測得待測樣品的相位延遲δ ； 該方法步驟如下I)設(shè)定包括起偏器、補(bǔ)償器、待測樣品、偏振片和檢偏器在內(nèi)的各偏振元件的初始方位角，使得補(bǔ)償器、待測樣品的快軸和起偏器、檢偏器的透振方向一致，沿X軸正向，旋轉(zhuǎn)偏振片使其透振方向與X軸成θ α，且20° < I θ α I ( 40° ;2)啟動系統(tǒng)，電子計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡控制單色儀選擇被測波長；3)計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器，每旋轉(zhuǎn)間隔△ Θ，數(shù)據(jù)采集卡采集一次光強(qiáng)并傳給電子計(jì)算機(jī)，其中1° < Λ Θ < 10° ;電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，得到一組光強(qiáng)數(shù)據(jù)I ;4)由電子計(jì)算機(jī)對采集的光強(qiáng)數(shù)據(jù)I進(jìn)行傅立葉分析，由下式求得傅立葉系數(shù)
￡Iq Λ bg、3-4 和 ；I = a0+b2 sin (2n Δ Θ ) +a4 cos (4n Δ Θ ) +b4 sin (4n Δ Θ ) n = 0，1，2，· · ·5)通過下面四個非線性方程的解析解得出系統(tǒng)參數(shù)，包括系統(tǒng)的透射光強(qiáng)τ，補(bǔ)償器和待測樣品的相位延遲S。和S，以及偏振片的透振方向與X軸的夾角θα。其特征在于補(bǔ)償器的相位延遲隨待測樣品的相位延遲一起求得。a0 = τ [1+V2 (1+cos δ c) cos2 θ α ]b2 = τ sin δ csin δ sin2 θ αa4 = V2 τ (1-cos δ c) cos2 θ αb4 = V2 τ (l_cos δ c) cos δ sin2 θ α所述的波片相位延遲的精密測量方法，其特征在于通過三步測量法消除包括補(bǔ)償器、待測樣品和偏振片在內(nèi)的偏振元件方位角的誤調(diào)影響，該方法步驟如下6)調(diào)整偏振片使其透振方向與X軸的夾角在20° -40°范圍內(nèi)，其確切位置為 θ α且未知，繼續(xù)步驟3)至5)測量并求得待測樣品的相位延遲31和偏振片的透振方向與 X軸的夾角θ α1 ;
7)旋轉(zhuǎn)偏振片使其透振方向與X軸成-θ α1，再繼續(xù)步驟3)至5)測量并求得偏振片的透振方向與X軸的夾角θ α2 ;8)旋轉(zhuǎn)偏振片使其透振方向與X軸成θ α2，再繼續(xù)步驟3)至5)測量并求得待測樣品的相位延遲δ 2 ；9)最終求得待測樣品的相位延遲為δ = ( δ j+ δ 2)/2ο綜上所述，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的幾種方法相比優(yōu)點(diǎn)在于I.本發(fā)明通過自校準(zhǔn)方法，補(bǔ)償器的相位延遲在測量過程中直接得到，不需要對其延遲定標(biāo)，避免了復(fù)雜且困難的補(bǔ)償器相位延遲定標(biāo)。2.本發(fā)明通過三區(qū)域測量法結(jié)合自校準(zhǔn)方法，完全消除了偏振元件的方位角誤差引起的一階誤差效應(yīng)；3.實(shí)現(xiàn)了寬光譜范圍內(nèi)多個波長的任意相位延遲的波片測量，操作簡單；4.該系統(tǒng)不僅可靠性好，而且操作方便，可直接通過計(jì)算機(jī)完成，測試自動化，無需人工繁瑣的操作，大大提高了測量效率；5.測試精度高，對實(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境要求不高，適用范圍廣。


圖I為本發(fā)明波片相位延遲的精密測量系統(tǒng)的構(gòu)成原理圖。圖2為本發(fā)明波片相位延遲的精密測量系統(tǒng)的方位坐標(biāo)圖。圖中光源I ;光纖耦合器2 ;起偏器3 ;補(bǔ)償器4 ;電機(jī)5 ;電機(jī)驅(qū)動器6 ;待測樣品 7 ;樣品臺8 ;偏振片9 ;檢偏器10 ;成像透鏡11 ;單色儀12 ;探測器13 ;數(shù)據(jù)采集卡14 ;電子計(jì)算機(jī)15。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的創(chuàng)造點(diǎn)在于采用自校準(zhǔn)方法避免了補(bǔ)償器(或標(biāo)準(zhǔn)波片)的定標(biāo)，消除了其定標(biāo)的繁瑣及不準(zhǔn)確影響；采用三區(qū)域測量法減小了系統(tǒng)中偏振元件(所有偏振片和波片)的方位角誤差對測量精度的影響，最終實(shí)現(xiàn)了寬光譜范圍內(nèi)多個波長的任意相位延遲的波片高精度測量。首先，本發(fā)明需要建立波片相位延遲的精密測量系統(tǒng)，然后通過自校準(zhǔn)方法和三區(qū)域測量法等技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。如圖I所示，本發(fā)明波片相位延遲的精密測量系統(tǒng)的構(gòu)成是具有一光源1，在該光源I發(fā)出光的前進(jìn)方向上依次放置光纖耦合器2、起偏器3、補(bǔ)償器4、待測樣品7、樣品臺 8、偏振片9、檢偏器10、成像透鏡11、單色儀12和探測器13。其中補(bǔ)償器4可由電機(jī)5帶動旋轉(zhuǎn)，電子計(jì)算機(jī)15通過數(shù)據(jù)采集卡14發(fā)出脈沖信號經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器6控制電機(jī)5 旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。電子計(jì)算機(jī)15設(shè)置測量波長，通過數(shù)據(jù)采集卡14發(fā)送信號控制單色儀12旋轉(zhuǎn)到該波長位置。探測器13探測到的光強(qiáng)信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡14傳至電子計(jì)算機(jī)15進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。所述光源I為氙燈、溴鎢燈或其他連續(xù)譜的光源。所述的光纖耦合器2為一種將普通光源發(fā)出的光束通過光纖及透鏡組合變?yōu)榫鶆驕?zhǔn)直光束的器件。
所述的起偏器3為二向色性起偏器，或雙折射起偏器等可以將任意光波變換成線偏光的偏振器件，例如一實(shí)施例中可米用消光比為105、孔徑> IOmm的雙折射 Glan-Thompson 棱鏡。所述的補(bǔ)償器4為云母或石英或其他材料的波片，延遲在60° -120°內(nèi)均可。所述的電機(jī)5選用伺服電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)或反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。所述的電機(jī)驅(qū)動器6為與選用電機(jī)對應(yīng)使用的驅(qū)動器。所述的樣品臺8優(yōu)選是三維可調(diào)的樣品臺；所述的樣品7為一透射式的平面樣品， 可以是具有雙折射效應(yīng)的晶體材料，如石英晶體，氟化鎂晶體等。所述的偏振片9及檢偏器10為二向色性起偏器，或雙折射起偏器，可以將任意光波變換成線偏光的偏振器件，例如一實(shí)施例中可米用消光比為105、孔徑> IOmm的雙折射 Glan-Thompson 棱鏡。所述的單色儀12選用反射型光柵。所述的探測器13選用光電二極管、光電倍增管或CCD (Charge-coupled Device) 圖像傳感器等。所述的電子計(jì)算機(jī)15及數(shù)據(jù)采集卡14采用的類型及型號不限，相互匹配即可。本發(fā)明系統(tǒng)的方位坐標(biāo)米用直角坐標(biāo)系，如圖2所不。規(guī)定為光束傳播方向?yàn)閦 軸，X軸沿水平方向，y軸沿垂直方向，Xy平面與Z軸垂直；起偏器3的透振方向、補(bǔ)償器4 的快軸初始方向、待測樣品7的快軸方向和檢偏器10的透振方向一致，沿X軸正向；偏振片 9的透振方向和X軸成K (20°彡I θ α I彡40。)。本發(fā)明的工作原理及過程是電子計(jì)算機(jī)15通過數(shù)據(jù)采集卡14控制單色儀12調(diào)整到所需波長(根據(jù)所需要求選擇，波長采用范圍不限)。光源I輻射的光束通過光纖耦合器2變成均勻的平行光束， 通過起偏器3變成線偏振光，入射到補(bǔ)償器4。電子計(jì)算機(jī)15通過數(shù)據(jù)采集卡14發(fā)出脈沖信號經(jīng)電機(jī)驅(qū)動器6控制電機(jī)5以一定步長(△ Θ)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器4 (具體說是在旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的橢偏儀RCE)，從補(bǔ)償器4出射的光束再依次通過待測樣品7、偏振片9和檢偏器10，檢偏器10的出射光通過成像透鏡11和單色儀12被探測器13接收。根據(jù)偏振光學(xué)的Mueller 矩陣?yán)碚摚綔y器13接收的光強(qiáng)I可表達(dá)為I = [I O O 0]MAR(-Θ JM/ R( Θ a)MsR(-Θ n)McR( θ η)ΜΡ[Ι0 O O 0]T (I)其中Ici為入射光強(qiáng)，R(_ Θ a)、R( θ α)和R(- Θ n)、R( θ η)分別為偏振片和起偏器的旋轉(zhuǎn)矩陣，θη = ηΔ Θ ;Ma、M/、MS、Mc和Mp分別為檢偏器、偏振片、待測樣品、補(bǔ)償器和起偏器的Mueller矩陣。矩陣形式如下所示，其中θ a為偏振片的透振方向與x軸的夾角， θη為補(bǔ)償器的快軸方位角，h(i =A，P'，S，C，P)是各個偏振元件的透射率；δ。和δ分別為補(bǔ)償器和待測樣品的相位延遲
權(quán)利要求
1.一種波片相位延遲的精密測量系統(tǒng)，包括一光源，在該光源發(fā)出光的前進(jìn)方向上依次放置準(zhǔn)直器、起偏器、補(bǔ)償器及置于樣品臺上的待測樣品，所述的補(bǔ)償器由步進(jìn)電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)，該電機(jī)的驅(qū)動由一電子計(jì)算機(jī)實(shí)行控制，在待測樣品之后且沿光的前進(jìn)方向放置有檢偏器、成像透鏡、單色儀和探測器，所述的探測器的輸出經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡傳至電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；所述的電子計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡控制單色儀選擇波長；電子計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送脈沖信號到電機(jī)驅(qū)動以控制電機(jī)以一定步長旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器；其特征在于所述的準(zhǔn)直器采用光纖耦合器；在待測樣品之后、檢偏器之前再加入一偏振片。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的波片相位延遲的精密測量系統(tǒng)，其特征在于所述的光源為連續(xù)譜光源，優(yōu)選氙燈或溴鎢燈。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的波片相位延遲的精密測量系統(tǒng)，其特征在于所述的起偏器、 偏振片和檢偏器均采用二向色性起偏器或雙折射起偏器中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的波片相位延遲的精密測量系統(tǒng)，其特征在于所述的補(bǔ)償器為云母或石英，延遲范圍為60° -120°。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的波片相位延遲的精密測量系統(tǒng)，其特征在于所述的單色儀為反射型光柵；所述的探測器為光電二極管、光電倍增管或CCD圖像傳感器，優(yōu)選為CCD圖像傳感器。
6.一種波片相位延遲的精密測量方法，首先建立權(quán)利要求I所述的波片相位延遲的精密測量系統(tǒng)，使得光源發(fā)出的光依次通過光纖耦合器、起偏器、補(bǔ)償器、待測樣品、偏振片、 檢偏器、成像透鏡和單色儀后由探測器接收；其特征在于其是通過自校準(zhǔn)方法測得待測樣品的相位延遲δ ;該方法步驟如下.1)設(shè)定包括起偏器、補(bǔ)償器、待測樣品、偏振片和檢偏器在內(nèi)的各偏振元件的初始方位角，使得補(bǔ)償器、待測樣品的快軸和起偏器、檢偏器的透振方向一致，沿X軸正向，旋轉(zhuǎn)偏振片使其透振方向與X軸成θ α，且20。< I θ α I < 40。；.2)啟動系統(tǒng)，電子計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡控制單色儀選擇被測波長；.3)電子計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器，每旋轉(zhuǎn)間隔△Θ，數(shù)據(jù)采集卡采集一次光強(qiáng)并傳給電子計(jì)算機(jī)，其中1° < Λ Θ < 10° ;電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，得到一組光強(qiáng)數(shù)據(jù)I ;.4)由電子計(jì)算機(jī)對采集的光強(qiáng)數(shù)據(jù)I進(jìn)行傅立葉分析，由下式求得傅立葉系數(shù)％、b2、 a4 和 b4 ；I= a0+b2 sin (2n Δ Θ ) +a4 cos (4n Δ Θ ) +b4 sin (4n Δ Θ ) n = 0,1, 2,....5)通過下面四個非線性方程a0 = τ [1+V2 (1+cos δ c) cos2 θ α ] b2 = τ sin δ csin δ sin2 θ α a4 = V2 τ (1-cos δ c) cos2 θ α b4 = V2 τ (1-cos δ c) cos δ sin2 θ α 解析解得出待測樣品的相位延遲S。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的波片相位延遲的精密測量方法，其特征在于通過三步測量法消除包括補(bǔ)償器、待測樣品和偏振片在內(nèi)的偏振元件方位角的誤調(diào)影響，該方法步驟如下6)調(diào)整偏振片使其透振方向與X軸的夾角在20°-40°范圍內(nèi)，其確切位置為9。且未知，繼續(xù)步驟3)至5)測量并求得待測樣品的相位延遲31和偏振片的透振方向與X軸的夾角θ α I ;7)旋轉(zhuǎn)偏振片使其透振方向與X軸成_θα1，再繼續(xù)步驟3)至5)測量并求得偏振片的透振方向與X軸的夾角θ α2 ;8)旋轉(zhuǎn)偏振片使其透振方向與X軸成θα2，再繼續(xù)步驟3)至5)測量并求得待測樣品的相位延遲S 2 ；9)最終求得待測樣品的相位延遲為δ= ( δ 1+ δ 2)/2。
全文摘要
一種波片相位延遲的精密測量方法及其系統(tǒng)，包括一光源，在該光源發(fā)出光的前進(jìn)方向上依次放置光纖耦合器、起偏器、補(bǔ)償器及待測樣品、偏振片、檢偏器、成像透鏡、單色儀和探測器，補(bǔ)償器由計(jì)算機(jī)控制的電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)，探測器的輸出經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡傳至電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡控制單色儀選擇波長；計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送脈沖信號到電機(jī)驅(qū)動以控制電機(jī)以定步長旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器；方法是在旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的橢偏儀的基礎(chǔ)上將其相位延遲作為未知參數(shù)建立四個非線性方程，求解得到待測樣品的相位延遲。測量過程實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償器相位延遲的自校準(zhǔn)，消除了其定標(biāo)不準(zhǔn)確帶來的系統(tǒng)誤差；且利用三步測量法消除了系統(tǒng)中偏振元件的方位角誤差的影響。
文檔編號G01M11/02GK102589850SQ20121000986
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月13日
發(fā)明者侯俊峰 申請人:中國科學(xué)院國家天文臺