导　　师： 何振江

学科专业： G0207

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 华南师范大学

摘　　要： 当前，新型功能薄膜材料的研究十分活跃，薄膜样品的厚度、折射率等参数的快速测量，以及薄膜生长过程中的膜厚与折射率的实时监测，是高质量纳米级薄膜生产和研究中的关键技术。椭圆偏振测量术(ellipsometry,简称椭偏术)是通过分析光在被测样品上反射前后偏振状态的变化，来进行材料光学性质分析的技术，它是灵敏度极高而且是一种非破坏性的测量技术。长期以来，用于薄膜样品测量的椭圆偏振测量仪(ellipsometer，简称椭偏仪)采用的方法主要有两种：一种是消光法，另一种是光度法。这两种方法均要偏振器件绕光轴转动，对光束进行消光或光度调制，从而获得光束的偏振态，进而确定样品的椭偏参数和折射率与厚度(n,d)等。这些方法在实际应用中的主要缺点是测量速度慢，有转角误差，转动控制精度要求高。 目前，国内外以基于这两种方法的椭偏仪占绝大多数，尽管技术水平不断提高，但在诸如对功能薄膜生长时厚度的实时监控，光束偏振态的快速变化或使用脉冲激光器作光源的情况下，用传统的测量方式己无法适应测量的需要。因此，研究能快速获得偏振光偏振态的新型测量仪器并用于椭偏测厚技术中具有现实意义和实用价值。 光束偏振态的斯托克斯参量(stokes parameters)表示法是斯托克斯(g.g.stokes)在1852年提出的用四个参量来描述光束的强度和偏振态的方法。该方法不仅可以描述完全偏振光、部分偏振光和非偏振光，也可以描述单色光或非单色光。这四个斯托克斯参量都是与光强有关的量，可以通过对光束进行强度测量来确定。测量斯托克斯参量的方法之一是分振幅法(division-of-amplitude)，即把待测光束分成四束，用四个探测器同时完成对某一时刻的斯托克斯参量测量而不需要转动部件，适合对快速变化的偏振态或脉冲光束偏振态的测量。目前，偏振光的斯托克斯参量测量技术多应用在偏振成像、大地遥感、气象预报和军事侦察等领域。把该技术应用到椭偏测厚方面的还不多，仅有美国的gaertner scientific公司近年推出了几款基于斯托克斯参量测量原理的椭偏测厚仪器，在我国未见把斯托克斯参量测量技术应用于研制椭偏仪的报道。 为了实现对纳米级薄膜椭偏参数的快速测量，本论文提出了光路在二维平面上的分振幅斯托克斯参量测量方法，使测量装置的构建和调节比gaertnerscientific公司采用的光路在三维空间的方法简便。建立了一个实验系统，实现测量装置无转动部分，快速测量获得偏振光的偏振态。用该实验系统测量纳米级薄膜样品的入射和反射偏振光的斯托克斯参量，求得椭偏参量ψ和△，再求得薄膜样品的厚度d和折射率n。论文的主要工作是：论述了偏振光的四种分析方法，选择斯托克斯矢量和穆勒矩阵作为本文的理论分析方法；分析了消光法和光度法椭偏测厚技术的发展现状及其不足；建立了基于斯托克斯参量测量法的椭偏测厚实验系统，设计了光路在二维平面上的斯托克斯参量测量装置及其简单的定标方法；以aduc845单片机为核心，研制了四路光强信号采集装置；提出了斯托克斯参量数据误差处理的计算方法，并用matlab软件编制了数据处理的程序，完成了复杂的矩阵计算和椭偏参量的计算；用计算软件完成了膜厚和折射率的计算；检验了实验系统对偏振光偏振态测量的准确度；用薄膜样品作了斯托克斯参量测量法与消光法测量的对比试验；用已知折射率标准值的普通玻璃和石英玻璃样品进行准确度试验。 研究结果表明：技术方案可行，实验系统结构简单，构建和调节容易，入射角可调，定标方法简单。光强信号采集的相对误差在0.09％～0.3％；斯托克斯参量测量的实验值与理论值的误差小于0.4％；斯托克斯参量每个分量的测量相对误差在0.01％～1.5％之间；与消光法仪器测量样品厚度和折射率对比的结果一致性很好；与已知折射率的玻璃样品和石英玻璃样品折射率的测量误差小于2％。 论文的创新点是：从理论上分析了二维平面光路上的斯托克斯参量测量原理，设计了较简单的定标方法；提出了数据处理中矩阵计算的简单方法，方便斯托克斯参量的误差计算；以aduc845单片机为核心，研制了四路光强信号采集装置，采集精度高。不足之处是：光强采集、矩阵计算、椭偏参量计算以及折射率和样品厚度计算的软件还未能有效地整合起来；系统的精确度、测试范围和分析能力还需进一步研究；在把实验系统转化为仪器样机方面还可继续开展工作。 由于分振幅斯托克斯参量测量方法的优越性，它将会代替传统椭偏仪的消光法和光度法，成为新一代椭偏仪普遍采用的技术。本论文的工作为在我国尽快研制基于斯托克斯参量测量原理的椭偏仪在理论上、技术上做了较充分的准备。

关 键 词： 椭圆偏振测量术 椭圆偏振测量仪 分振幅 斯托克斯参量 功能薄膜厚度 折射率

分 类 号： [O436.3 TH744]

领　　域： [机械工程] [理学] [理学] [机械工程] [机械工程] [机械工程]