[發明專利]一種傅里葉變換紅外穆勒矩陣橢偏儀及其測量方法

在審

• 申請號: 201811455824.2
• 申請日: 2018-11-30
• 公開（公告）號: CN109580551A
• 公開（公告）日: 2019-04-05
• 發明（設計）人: 張傳維;劉檸林;郭春付;李偉奇;劉世元
• 申請（專利權）人: 武漢頤光科技有限公司;華中科技大學
• 主分類號: G01N21/55
• 分類號: G01N21/55;G01J1/42
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青;李智

本發明屬于檢測與測量領域，并公開了一種傅里葉變換紅外穆勒矩陣橢偏儀及其測量方法。該橢偏儀包括光源調制模塊、起偏調制模塊、檢偏調制模塊、樣品臺和控制模塊，其中：光源調制模塊包括紅外光源、邁克爾遜干涉儀和離軸拋物鏡，起偏調制模塊包括起偏器和第一旋轉相位延遲器；樣品臺上方擺放待測樣品；檢偏調制模塊包括第二旋轉相位延遲器、檢偏器和紅外光電探測器；控制模塊包括電機驅動控制器和計算機。本發明通過引入傅里葉變換儀可以實現紅外光譜范圍的快速準確測量；并且選用雙菱形菲涅爾棱鏡能夠實現全光譜范圍內消色差的功能；此外，本發明通過使用步進式雙旋轉相位延遲器的調制方式，可以在一次測量中獲得待測樣品的全穆勒矩陣信息。

技術領域

本發明屬于檢測與測量領域，更具體地，涉及一種傅里葉變換紅外穆勒矩陣橢偏儀及其測量方法。

背景技術

橢圓偏振儀(簡稱橢偏儀)是一種利用光的偏振特性獲得待測樣品信息的光學測量儀器，其基本原理是通過起偏臂將特定偏振態的光投射到待測樣品表面，經樣品反射(或投射)后測量出射光的偏振態，通過測量待測樣品對入射光偏振態的改變量(包括幅值比和相位差)獲得待測樣品的信息。傳統橢偏儀在薄膜材料和微納結構測量中獲得了廣泛的應用，但對于各向異性材料的光學常數測量、納米結構關鍵尺寸及形貌參數測量等應用表現出了一定的局限性。而穆勒矩陣橢偏儀可以獲得待測樣品歸一化的4x4階全穆勒矩陣參數，相對于傳統橢偏儀可以獲得更加豐富的測量信息?；陔p旋轉補償器型的穆勒矩陣橢偏儀，可以在一次測量中獲得待測樣件歸一化(相對于m11，即第一個元素)的全部15個穆勒矩陣參數，不需要重新配置測量系統，因此測量速度更快。

很多應用領域要求穆勒矩陣橢偏儀可以在更寬的光譜范圍，尤其是在紅外波段進行快速準確地測量。紅外橢偏儀可用于各種信息光電子功能材料和器件紅外光譜范圍特有的聲子振動吸收、自由載流子遷移率、分子振動吸收的測量，從而獲得應力、組成、摻雜率等信息。測量對象包括金屬、半導體、超導體、絕緣體、非晶體、磁性材料、薄膜材料、光電材料、非線性材料、各向同性或各向異性材料以及可見不透明但紅外光譜范圍透明的材料等。但是紅外橢偏儀存在兩個技術難題：一是因紅外光譜范圍非常寬，可見波段常用的單色儀分光波長掃描這種測量方式的測量時間非常長，無法滿足應用中快速測量的需求；二是紅外元器件的參數不理想，如紅外光源中光的強弱、常用的金屬線柵偏振片的消光比低、紅外寬波段消色差延遲其難以獲得等。

為解決以上問題，第一次提出將傅里葉變換光譜儀引入橢偏儀，從而使用常規的光源也能夠滿足光強要求，并且通過傅里葉變換儀調制可以在一次測量中采集整個紅外波段內的光譜，很大程度上縮短了測量時間，使紅外橢偏儀得到了一定的發展。J.A.W.oollam公司的紅外橢偏儀產品IR-VASE Mark II將傅里葉變換儀引入橢偏儀，但是其調制方式為單旋轉補償器型(RCE)，因此不能在一次測量過程中獲得樣品的全穆勒矩陣信息，在進行各項異性材料的測試中也表現出來一定的局限性。專利CN1274080A公開了一種單色儀分光紅外橢圓偏振光譜儀，但是其在紅外區域的測量速度較慢，專利CN1073696C公開了一種紅外雙重富利埃變換的橢圓偏振光譜儀及其設計方法，該專利未涉及延遲器的使用，因此不能在一次測量過程中獲得待測樣品的全穆勒矩陣信息。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種傅里葉變換紅外穆勒矩陣橢偏儀及其測量方法，其中對其關鍵組成部件如邁克遜干涉儀、旋轉相位延遲器的具體結構及其設置方式的改進研究，同時對其整體結構布局重新做出針對性設計，相應可以實現紅外光譜范圍的快速準確測量，并且能夠實現全光譜范圍內消色差的效果，因而尤其適用于各種紅外測試的應用場合。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提出了一種傅里葉變換紅外穆勒矩陣橢偏儀，其特征在于，該橢偏儀包括光源調制模塊、起偏調制模塊、檢偏調制模塊、樣品臺和控制模塊，其中：