橢偏儀是利用橢圓偏振術(shù)對(duì)透明薄膜進(jìn)行無(wú)損測(cè)量的一種儀器，它是利用偏振光在薄膜上下表面的反射，通過(guò)菲涅耳公式得到光學(xué)參數(shù)和偏振態(tài)之間的關(guān)系來(lái)確定光學(xué)薄膜折射率和厚度。

橢偏儀的工作原理

　　橢偏儀是一種偏振態(tài)測(cè)試設(shè)備。假設(shè)所用的探測(cè)光為1**%的偏振光(線偏振、圓偏振或橢圓偏振光)。橢偏儀從光源開(kāi)始到探測(cè)器，其間可以配置各種光學(xué)元件，根據(jù)光學(xué)元件配置的不同可以有三種型式的橢偏儀結(jié)構(gòu)：零偏振型、偏振調(diào)制型和回轉(zhuǎn)元件型等。

　　“零”偏振型橢偏儀：

　　零偏振型橢偏儀一般結(jié)構(gòu)如下所示：光源→起偏器→補(bǔ)償器→樣品→檢偏器→探測(cè)器

　　為了進(jìn)行測(cè)試，起偏器、補(bǔ)償器和檢偏器調(diào)整到“零”(消化)。通常手動(dòng)完成，橢偏儀測(cè)量過(guò)程緩慢且難以作分光測(cè)量，但是比較精確，系統(tǒng)誤差較小。

　　偏振調(diào)制型橢偏儀：

　　偏振調(diào)制型橢偏儀一般結(jié)構(gòu)如下所示：光源→起偏器→調(diào)制器→樣品→檢偏器→探測(cè)器

　　調(diào)制器是反映時(shí)間與延滯的關(guān)系，典型的可以達(dá)到50kHz的高速。高速調(diào)制理論上能達(dá)到很快的數(shù)據(jù)采集(每點(diǎn)10ms)。為了達(dá)到滿意的信噪比，要求高能光源(如激光)或較長(zhǎng)的積分時(shí)間。信噪比是與測(cè)量時(shí)收集到多少光子有關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)分光測(cè)量必須對(duì)每一波長(zhǎng)調(diào)整調(diào)制幅度。由于調(diào)制器對(duì)環(huán)境溫度有很強(qiáng)的敏感性，因而橢偏儀標(biāo)定的穩(wěn)定性較差。

　　回轉(zhuǎn)元件型橢偏儀：

　　回轉(zhuǎn)元件型橢偏儀是總有一個(gè)偏振元件以10~60Hz的速度回轉(zhuǎn)。上述兩種橢偏儀結(jié)構(gòu)在起偏器后包括有一個(gè)延滯元件。如果只用二個(gè)偏振元件(起偏器和檢偏器)，其優(yōu)點(diǎn)是光學(xué)性能近似于理想，在寬光譜區(qū)域接近消色(1：1000000)，而且比較容易安裝和調(diào)整;缺點(diǎn)則是當(dāng)△接近0°或180°時(shí)靈敏度較低(當(dāng)然偏振調(diào)制型在ψ接近45°時(shí)也會(huì)損失靈敏度)?；剞D(zhuǎn)元件型基本上克服了上述缺點(diǎn)。回轉(zhuǎn)型橢偏儀加上自動(dòng)位相補(bǔ)償器在0~36°范圍內(nèi)準(zhǔn)確地測(cè)量△。

　　回轉(zhuǎn)元件型橢偏儀可以有兩種結(jié)構(gòu)方案：

　?、倩剞D(zhuǎn)起偏器橢偏儀(RPE)，其一般結(jié)構(gòu)如下所示：光源→連續(xù)回轉(zhuǎn)起偏器→樣品→檢偏器→探測(cè)器

　?、诨剞D(zhuǎn)檢偏器橢偏儀(RAE)，其一般結(jié)構(gòu)如下所示：光源→起偏器→樣品→連續(xù)回轉(zhuǎn)檢偏器→探測(cè)器

　　在回轉(zhuǎn)起偏器橢偏儀系統(tǒng)中，單色儀置于起偏器之后，可以YZ環(huán)境光的影響，但要修正單色儀對(duì)偏振態(tài)的影響而光源直接位于連續(xù)旋轉(zhuǎn)的起偏器之前，光源中殘余的偏振會(huì)造成數(shù)據(jù)誤差，旋轉(zhuǎn)起偏器還可能造成光束在樣品上移動(dòng)。

　　在回轉(zhuǎn)檢偏器橢偏儀系統(tǒng)中，固定的起偏器可以消除由于光源殘余偏振引起的任何誤差，探測(cè)器的殘余偏振通常是極小的，因而不會(huì)影響測(cè)量精度，但是單色儀必須置于起偏器之前，這會(huì)允許環(huán)境光到達(dá)探測(cè)器中，因而要求系統(tǒng)在暗室中工作。

橢偏儀的結(jié)構(gòu)

　　橢偏儀常用的光學(xué)元件有下列幾種：

　　1、光源

　　橢偏儀的理想光源是強(qiáng)度穩(wěn)定，從紫外到近紅外整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)輸出近似為常數(shù)，目前大多選用Xe或Hg-Xe燈是比較合理的，但是它在UV(低于260nm)強(qiáng)度較弱，而在880~1010nm具有很強(qiáng)的原子輻射譜線。也有采用激光作為光源，進(jìn)行單色橢偏測(cè)量。

　　2、偏振器件

　　偏振器是橢偏儀重要的光學(xué)元件，理想的偏振器只能傳遞在一個(gè)方向偏振的光，而不能傳遞任何沿著它垂直方向偏振的光。偏振器能將任何偏振態(tài)的光變成線偏振光并定向于傳輸軸。格蘭泰勒(方解石)偏振器射出光的偏振度達(dá)到百萬(wàn)分之一，波長(zhǎng)范圍為230~2200nm。

　　3、補(bǔ)償器

　　亦是延滯器，它可以精確地作90°(或1/4波長(zhǎng))的延滯。補(bǔ)償器可以由反折射薄片或拋光的斜方形晶體構(gòu)成。該元件的精確延滯與光學(xué)調(diào)整和所用光的波長(zhǎng)有關(guān)。有的橢偏測(cè)量系統(tǒng)利用能將線偏振光變成園偏振光的補(bǔ)償器。特殊情況下，補(bǔ)償器能簡(jiǎn)單地在兩垂直的線偏振器之間引入位相延滯。旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器與旋轉(zhuǎn)偏振器相結(jié)合能將非偏振光變成橢圓偏振光。

　　4、光束調(diào)制器

　　通常有幾種，一種是機(jī)械調(diào)制器(斬波器)，可以實(shí)現(xiàn)光束強(qiáng)度簡(jiǎn)諧地調(diào)制為了隨后的同步探測(cè);另一種是電光或磁光調(diào)制器，用于光束強(qiáng)度(電光)或偏振態(tài)(磁光)的簡(jiǎn)諧擾動(dòng)為了隨后的同步探測(cè)，這種調(diào)制器一般難以標(biāo)定和維護(hù)，對(duì)溫度敏感并且相當(dāng)昂貴?，F(xiàn)在還有一種光彈型調(diào)制器用于橢偏儀中。

　　5、探測(cè)器

　　通常用于橢偏儀的探測(cè)器有三種，即光電倍增管、硅光電池和InGaAs，前者對(duì)偏振態(tài)敏感，后兩種則不敏感，并且在很寬范圍內(nèi)對(duì)光束強(qiáng)度具有線性響應(yīng)。此外，也有采用硅光二極管列陣作為探測(cè)器的。