[發明專利]一種波片相位延遲的精密測量系統及其實現方法

有效

• 申請號: 201210009867.4
• 申請日: 2012-01-13
• 公開（公告）號: CN102589850A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 侯俊峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院國家天文臺
• 主分類號: G01M11/02
• 分類號: G01M11/02
• 代理公司: 北京北新智誠知識產權代理有限公司 11100
• 代理人: 朱麗華

技術領域

本發明屬于偏振光學檢測技術領域，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。

背景技術

波片是偏振光學技術中的重要元件，常用于橢偏測量或光學精密儀器測量中以改變光的偏振狀態，相位延遲作為波片的主要技術參數，對于實驗結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：補償法、橢偏法、光強法、分頻激光探測法等。其中技術成熟的橢偏儀(RCE)(參見Dill?et?al.Rotating-Compensator?Ellipsometer[P].United?States?Patent：4,053,232，1977)經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)定標系統中補償器的延遲量。一方面，空矩陣的測量誤差影響補償器延遲量的定標誤差；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補償器的相位延遲，非常繁瑣；此外，由于已經利用測量空氣對系統定標，波片樣品測量中空氣的測量作為該系統的測量精度不再具有實際意義。其他測量方法，如補償法、光強法等、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，有的測試裝置復雜且速度慢，有的價格昂貴。

另外，在測量系統中，偏振元件的方位角誤差是主要的誤差源之一。文獻[1](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)描述了一種雙區域測量法以消除測量系統中方位角誤差的一階效應。具體測量方法為分別旋轉偏振片到兩個對稱位置，測量得到待測樣品的相位延遲δ₁、δ₂。待測樣品的實際測量值δ為兩次測量的平均值，即：δ＝(δ₁+δ₂)/2。盡管如此，由于很難精確定標偏振片的方位角初始位置，導致雙區域測量方法中兩個區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。

發明內容

本發明的目的是提供一種波片相位延遲的精密測量系統，利用其可對波片相位延遲進行精密的測量。

為實現上述目的，本發明采取以下設計方案：

一種波片相位延遲的精密測量系統，包括一光源，在該光源發出光的前進方向上依次放置光纖耦合器、起偏器、補償器及置于樣品臺上的待測樣品，所述的補償器由步進電機帶動旋轉，該電機的驅動由一電子計算機實行控制，在待測樣品之后且沿光的前進方向設置有偏振片、檢偏器、成像透鏡、單色儀和探測器，探測器輸出的光強信號經數據采集卡傳至電子計算機進行數據處理；所述的電子計算機通過數據采集卡控制單色儀選擇波長；電子計算機通過數據采集卡發送脈沖信號到電機驅動以控制電機以一定步長旋轉補償器。

所述波片相位延遲的精密測量系統的光源為連續譜光源，優選氙燈或溴鎢燈。

所述波片相位延遲的精密測量系統的起偏器、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的補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，優選為CCD圖像傳感器。

本發明波片相位延遲的精密測量系統可用于對任意延遲的波片進行精密測量，測量精度高，且配用CCD作為探測器后可以實現多波長的同時測量。

本發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有技術對波片相位延遲進行精密測量時需補償器在不同波長下需重復定標的麻煩及定標不準確帶來的影響，且還可消除偏振元件方位角誤調的影響。

為實現上述目的，本發明采取以下設計方案：

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，使得光源發出的光依次通過光纖耦合器、起偏器、補償器、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方法測得待測樣品的相位延遲δ；該方法步驟如下：

1)設定包括起偏器、補償器、待測樣品、偏振片和檢偏器在內的各偏振元件的初始方位角，使得補償器、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，旋轉偏振片使其透振方向與x軸成θ_α，且20°≤|θ_α|≤40°；