[发明专利]一种波片相位延迟的精密测量系统及其实现方法

说明书

技术领域

本发明属于偏振光学检测技术领域，特别是一种适用于测量波片相位延迟的精密测量方法及其系统。

背景技术

波片是偏振光学技术中的重要元件，常用于椭偏测量或光学精密仪器测量中以改变光的偏振状态，相位延迟作为波片的主要技术参数，对于实验结果有着非常重要的影响。波片相位延迟的测量方法有很多，主要有：补偿法、椭偏法、光强法、分频激光探测法等。其中技术成熟的椭偏仪(RCE)(参见Dill et al.Rotating-Compensator Ellipsometer[P].United States Patent：4,053,232，1977)经常被用于测量波片的相位延迟，该方法需要通过测量空气(空矩阵)定标系统中补偿器的延迟量。一方面，空矩阵的测量误差影响补偿器延迟量的定标误差；另一方面，对于多个波长的相位延迟测量，该方法需要在每个波长定标补偿器的相位延迟，非常繁琐；此外，由于已经利用测量空气对系统定标，波片样品测量中空气的测量作为该系统的测量精度不再具有实际意义。其他测量方法，如补偿法、光强法等、分频激光法等，不仅存在与椭偏仪相同的问题，而且有的需要人工操作，有的测试装置复杂且速度慢，有的价格昂贵。

另外，在测量系统中，偏振元件的方位角误差是主要的误差源之一。文献[1](参见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)描述了一种双区域测量法以消除测量系统中方位角误差的一阶效应。具体测量方法为分别旋转偏振片到两个对称位置，测量得到待测样品的相位延迟δ₁、δ₂。待测样品的实际测量值δ为两次测量的平均值，即：δ＝(δ₁+δ₂)/2。尽管如此，由于很难精确定标偏振片的方位角初始位置，导致双区域测量方法中两个区域的偏振片方位角不再对称，从而不能完全消除方位角误差的一阶效应。

发明内容

本发明的目的是提供一种波片相位延迟的精密测量系统，利用其可对波片相位延迟进行精密的测量。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种波片相位延迟的精密测量系统，包括一光源，在该光源发出光的前进方向上依次放置光纤耦合器、起偏器、补偿器及置于样品台上的待测样品，所述的补偿器由步进电机带动旋转，该电机的驱动由一电子计算机实行控制，在待测样品之后且沿光的前进方向设置有偏振片、检偏器、成像透镜、单色仪和探测器，探测器输出的光强信号经数据采集卡传至电子计算机进行数据处理；所述的电子计算机通过数据采集卡控制单色仪选择波长；电子计算机通过数据采集卡发送脉冲信号到电机驱动以控制电机以一定步长旋转补偿器。

所述波片相位延迟的精密测量系统的光源为连续谱光源，优选氙灯或溴钨灯。

所述波片相位延迟的精密测量系统的起偏器、偏振片和检偏器均采用二向色性起偏器或双折射起偏器中的一种。

所述的波片相位延迟的精密测量系统的补偿器为云母或石英或其他材料的波片，延迟范围为60°-120°。

所述波片相位延迟的精密测量系统的单色仪为反射型光栅；所述的探测器为光电二极管、光电倍增管或CCD图像传感器，优选为CCD图像传感器。

本发明波片相位延迟的精密测量系统可用于对任意延迟的波片进行精密测量，测量精度高，且配用CCD作为探测器后可以实现多波长的同时测量。

本发明的另一目的是提供一种波片相位延迟的精密测量方法，利用该方法可免除现有技术对波片相位延迟进行精密测量时需补偿器在不同波长下需重复定标的麻烦及定标不准确带来的影响，且还可消除偏振元件方位角误调的影响。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种波片相位延迟的精密测量方法，首先建立上述的波片相位延迟的精密测量系统，使得光源发出的光依次通过光纤耦合器、起偏器、补偿器、待测样品、偏振片、检偏器、成像透镜和单色仪后由探测器接收；

所述的波片相位延迟测量方法是通过自校准方法测得待测样品的相位延迟δ；该方法步骤如下：

1)设定包括起偏器、补偿器、待测样品、偏振片和检偏器在内的各偏振元件的初始方位角，使得补偿器、待测样品的快轴和起偏器、检偏器的透振方向一致，沿x轴正向，旋转偏振片使其透振方向与x轴成θ_α，且20°≤|θ_α|≤40°；