教学型椭偏仪测量各向异性单轴晶体光学参数的方法研究

椭偏仪是一种常用的现代光学测量仪器,在物理实验教学中常用于测量各向同性材料的折射率、表面薄膜厚度等光学参数。本文提出一种利用教学型椭偏仪测量各向异性单轴晶体折射率等光学参数的方法。采用多入射角的方法增加系统自由度,建立数值反演模型,获得各向异性单轴晶体光学参数,并实验测量了钒酸钇晶体的折射率等光学参数。使用教学型椭偏仪测量各向异性单轴晶体光学参数,拓展了原有教学仪器的实验范围,有助于激发学生对实验的兴趣。     

薄膜光学常数的椭偏测量

利用光谱型椭偏仪测量了镀在熔石英玻璃基片上的氟化镁薄膜在300～850nm波长范围内的椭偏参数.并利用Levenberg-Marquardt算法.反演出了氟化镁薄膜在该波长范围内的色散曲线.通过与纯氟化镁体材料的色散曲线比较,发现所镀的氟化镁薄膜的折射率略小于体材料的折射率.     

基于棱镜的椭偏法测量液体复折射率

通过引进等腰棱镜,利用椭偏测量技术实现了液体复折射率的精确测量.基于菲涅尔公式及椭偏测量原理,从理论上分析仪器测量得到的椭偏参数与棱镜-液体界面椭偏参数的关系,并讨论了测量液体折射率及吸收系数的精度.使用消光式椭偏仪,测量了水和印度墨水的复折射率,得到了样品的折射率、吸收系数随浓度变化的实验曲线,实验结果与参考文献基本一致.实验表明:棱镜椭圆偏振技术测量液体折射率及吸收系数的精度分别为0.000 4和0.000 3,适合于快速测量.     

椭偏仪测薄膜厚度实验存在的问题

薄膜科学与技术是当前高科技中的一个领域,在目前各高等院校开设的近代物理实验课程中均有用反射型椭偏仪测量薄膜厚度及折射率的内容。然而,本实验内容的安排却存在一个问题,只能确定膜厚在第一周期以内的值而不能由实验数据本身确定膜厚的周     

薄膜光学常数的粒子群算法

为解决椭偏法测量薄膜厚度和折射率实验数据处理较为复杂的问题,采用一种新的基于群体智能的优化算法——粒子群算法处理实验数据.以单层吸收薄膜的测量为例,利用该算法进行数据处理.实验结果表明,可以同时获得3个薄膜参数(折射率n,消光系数k和薄膜厚度d),而且在确切参数范围未知情况下,大范围内进行搜索仍然能保证快速收敛到最优解.该算法与遗传算法以及利用椭偏仪数据处理软件得出的结果相比较,计算精度高,收敛速度快.     

光谱型椭偏仪对各向异性液晶层的测量

探讨了利用普通光谱型椭偏仪对各向异性液晶层进行综合性测量的可行性. 并利用法国Jobin Yvon公司的UVISEL SPME(Spectroscopic Phase Modulated Ellipsometer)光谱型椭偏仪测量了光学各向异性液晶层的折射率n_o和n_e及液晶层厚d，进一步利用椭偏仪在透射方式下测量了平行排列液晶层的光延迟特性Δnd，二者取得了很好的一致性，说明利用光谱型椭偏仪可以实现对光学单轴性液晶层及其他材料的测量，测厚精度为纳米量级. 关键词： 光谱型椭偏仪 各向异性 折射率 相位延迟     

多样品法确定类金刚石薄膜的光学常数与厚度

采用乙烷气体辉光放电法在单晶Si衬底上制备了名义厚度分别为75,150和250nm的类金刚石碳(DLC)薄膜,除沉积时间外其他工艺参数完全一致。使用可变入射角光谱型椭偏仪(VASE)测量了380～1700nm波段的椭偏谱。该研究发现,对单一DLC样品的椭偏数据进行分析时,一定的范围内,假定不同的薄膜厚度均可以得到非常好的拟合结果。结果表明,采用单样品椭偏法拟合时,厚度与光学常数呈现出强烈的关联性,无法快速获得准确的结果。采用多样品椭偏法,对三个样品建立相同的物理模型,假定他们的光学常数相同,进行数据拟合。分析发现该方法可以快速、简便地获得精确的折射率、消光系数以及厚度值。经过检验,结果具有非常好的唯一性。     

基片温度对PLD制备ZnO薄膜光学常数的影响

光谱椭偏仪被用来研究用脉冲激光沉积方法在Si(100)基片上,温度分别为400,500,600,700 ℃制备的ZnO薄膜的特性。利用三层Cauchy散射模型拟合椭偏参数,计算了每个温度下制备的ZnO薄膜在400~800 nm波长范围内的折射率(n)和消光系数(k)。发现基片温度对光学常数有很大的影响。通过分析XRD表征的晶体结构和 AFM表征的薄膜表面形貌,发现折射率的变化归因于薄膜堆积密度的变化。为了获得具有较好的光学和薄膜质量的ZnO薄膜,相比与其他沉积温度600 ℃或许是最佳的沉积温度。     

激光场对光学薄膜的作用

采用Mach-Zehnder干涉仪和光学延迟装置研究了Q开关激光与膜料折射率大于基底折射率和膜料折射率小于基底折射率的二类单层光学介质薄膜多次重复作用产生的等离子体形貌,从而对激光与介质薄膜相互作用的场效应进行了实验验证。     

椭偏与光度法联用精确测定吸收薄膜的光学常数与厚度

介绍了一种同时利用椭偏仪和分光光度计精确测量薄膜光学常数的方法, 并详细比较了该方法与使用单一椭偏仪拟合结果的可靠性.采用可变入射角光谱型椭偏仪（VASE）表征了250—1700 nm波段辉光放电法沉积的类金刚石薄膜,研究发现当仅用椭偏参数拟合时,由于厚度与折射率、消光系数的强烈相关性,无法得到吸收薄膜光学常数的准确解.如果加入分光光度计测得的透射率同时拟合,得到的结果具有很好的惟一性.该方法无需设定色散模型即可快速拟合出理想的结果,特别适合于确定透明衬底上较薄吸收膜的光学常数. 关键词： 光学常数 光谱型椭偏仪 吸收薄膜 透射率     

一种可溯源的光谱椭偏仪标定方法

提出了一种用X射线反射术标定光谱椭偏仪的方法.作为一种间接测量方法,光谱椭偏术测得的薄膜厚度依赖于其光学常数,不具有可溯源性.在掠入射条件下,X射线反射术能测得薄膜的物理厚度,测量结果具有亚纳米量级的精密度且与薄膜光学常数无关.在单晶硅基底上制备了厚度分别为2nm,18nm,34nm,61nm及170nm的SiO2薄膜标样,并用强制过零点的直线拟合了两种方法的标样测量结果,拟合直线的斜率为1.013±0.013,表明该方法可在薄膜厚度测量中标定光谱椭偏仪.     

纳米尺度HfO_2薄膜不同厚度对光学性质的影响

Hf O_2薄膜厚度达到纳米级别时,其光学性质会发生变化。光谱椭偏仪能够同时得到纳米尺度薄膜的厚度和光学常数,但是由于测量参数的关联性,光学常数的结果不准确可靠。本文采用溯源至SI单位的掠入射X射线反射技术对纳米尺度Hf O_2薄膜厚度进行准确测量,再以该量值为准确薄膜厚度参考值。利用光谱椭偏仪测量Hf O_2膜厚和光学常数时,参考膜厚量值,从而得到对应相关膜厚的薄膜准确光学参数。研究了以Al2O_3作为薄膜缓冲层的名义值厚度分别为2,5,10 nm的超薄Hf O_2薄膜厚度对光学性质的影响。实验结果表明,随着Hf O_2薄膜厚度的增加,折射率也逐渐增大,在激光波长632.8 nm下其折射率分别为1.901,2.042,2.121,并且接近于体材料,而消光系数始终为0,表明纳米尺度Hf O_2薄膜在较宽的光谱范围内具有较好的增透作用,对光没有吸收。     

原子层沉积HfO_2薄膜的激光损伤特性分析

以目前激光惯性约束聚变中应用最广泛的高折射率材料二氧化铪(HfO2)为研究对象,在熔石英基底上分别采用TEMAH和HfCl4前驱体制备了HfO2薄膜,沉积温度分别为100,200和300℃。采用椭偏仪和激光量热计对薄膜的光学性能进行了测量分析,采用X射线衍射仪(XRD)对薄膜的微结构进行了测量。最后在小口径激光阈值测量平台上按照1-on-1测量模式对薄膜的损伤阈值进行了测试,并采用扫描电子显微镜(SEM)对损伤形貌进行了分析。研究表明,用同一种前驱体源时,随着沉积温度升高,薄膜折射率增加,吸收增多,损伤阈值降低。在相同温度下,采用有机源制备的薄膜更容易在薄膜内部形成有机残留,导致薄膜吸收增加,损伤阈值降低。采用HfCl4作为前驱体源在100℃制备氧化铪薄膜时,损伤阈值能够达到31.8J/cm2(1064nm,3ns)。     

红外光谱椭偏仪测量硫系玻璃As_2Se_3折射率的准确性

采用自制的As_2Se_3玻璃棒,制备了具有不同厚度、背面粗糙度和表面光洁度的样品,借助红外光谱椭偏仪测试了样品折射率,通过光学模型拟合得到了其折射率参数。对比分析了厚度、背面粗糙度和表面光洁度对样品折射率的影响。结果表明:样品厚度、背面粗糙度和表面光洁度都会明显影响椭偏仪的测量精度,其中表面光洁度是关键因素。样品厚度应控制在1~3mm,同时增大样品背面粗糙度和样品表面光洁度,可显著提高椭偏仪的测试精度。     

一种新型椭偏测量实验 --塞曼激光外差椭偏仪

分析了大学物理实验中传统的消光式椭偏仪实验存在的问题，提出以一种新型外差式椭偏测量系统取代．结合塞曼激光外差干涉和反射式椭偏测量原理，给出了光学结构设计．系统中没有任何运动部件，也无需手动操作，实验过程自动化程度高，测量速度快．     

溶胶-凝胶法制备高折射率TiO2薄膜

 采用溶胶- 凝胶法制备了TiO₂纳米晶溶胶,并以旋涂法（spin-coating）镀制了高折射率光学薄膜。借助光散射技术和透射电镜研究了溶胶的微结构。采用原子力显微镜、场发射扫描电镜、紫外-可见-近红外光谱仪、椭偏仪、漫反射吸收光谱及强激光辐照实验,对膜层的结构、光学性能及抗激光损伤性能进行了系统的表征。结果显示:纳米晶薄膜的折射率达到了1.9,而传统的溶胶-凝胶薄膜折射率只有1.6;同时纳米晶薄膜的抗激光损伤阈值与传统的溶胶-凝胶薄膜相差不大,在1 064 nm处分别为16.3 J/cm²(3 ns脉冲) 和16.6 J/cm²(3 ns脉冲);纳米晶溶胶薄膜可以在保持较高抗激光损伤阈值情况下,大幅度提高薄膜折射率。     

ZnO薄膜的椭偏和DLTS特性

用射频磁控溅射在硅衬底上淀积氧化锌薄膜,并对样品分别作氮气、空气、氧气等不同条件下退火处理。为研究退火气氛对ZnO/Si薄膜中缺陷以及折射率的影响,由深能级瞬态谱(DLTS)以及椭偏测量方法进行了检测。椭偏测量结果表明相对原始生长的样品,在氮气和空气退火使ZnO薄膜折射率下降,但氧气中退火使折射率升高。我们对折射率的这种变化机理进行了解释。DLTS测量得到一个与Zni**相关的深能级中心E1存在,氧气气氛退火可以消除E1能级。在氮气退火情况下Zn*i*的存在对抑制VO引起的薄膜折射率下降有利。     

使用椭偏仪测量玻璃棱镜折射率的方法

 测量三棱镜玻璃折射率的实验是普通物理实验的一个基础实验课题。在实验室里通常采用测量最小偏向角的方法进行测量。本文提出了一种利用光的偏振知识,在椭偏仪上实现棱镜折射率测定的一种方法。既扩大了学生的知识面,又使物理现象更加直观、明显,实验效果及重复性、稳定性都很好。     

紫外光辐照对TiO2薄膜光学性能的影响

 采用电子束热蒸发技术在不同工艺下制备了TiO2薄膜,利用椭偏仪和分光光度计研究了紫外光辐照后薄膜光学特性的变化。实验结果表明：不同工艺下制备的TiO2薄膜经相同条件的紫外光辐照后,其折射率均有所下降,折射率的变化量随着沉积速率上升、基底温度上升、工作真空度下降分别有增大的趋势。薄膜的透射率在紫外光辐照后有一定下降。相同工艺条件下制备的TiO2薄膜,其折射率随着辐照时间的增加,先迅速降低,随后又有所增加,但均低于辐照前薄膜的折射率。     

ZrO_2/SiO_2溶胶-凝胶薄膜膜层间的渗透行为

分别以丙醇锆和正硅酸乙酯为原料,采用溶胶-凝胶工艺制备了性能稳定的ZrO2和SiO2溶胶。用旋转镀膜法在K9玻璃上分别制备了单层SiO2薄膜、单层ZrO2薄膜、ZrO2/SiO2双层膜和SiO2/ZrO2双层膜。采用原子力显微镜观察了薄膜的表面形貌,用椭偏仪测量薄膜的厚度与折射率,用紫外-可见光分光光度计测量了薄膜的透射率。对薄膜的透射光谱和椭偏仪模拟的数据进行分析,发现SiO2/ZrO2双层膜之间的渗透十分明显,而ZrO2/SiO2双层膜之间几乎不发生渗透。利用TFCalc模系设计软件,采用三层膜模型对薄膜的透射率进行模拟,得出的透射曲线与用紫外-可见光分光光度计测量的透射曲线十分符合。