椭偏仪测折射率和薄膜厚度.docx

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椭偏仪测折射率和薄膜厚度

物理实验报告

学院：

XX学院专业班级：

XXX学号：

XXX学生姓名：

XXX

实验成绩

预习题（一空一分，共10分）

1.（单选题）起偏器和检偏器的刻度范围为多少?

（B）

A.0°"180°

B.0°〜360°

2.（单选题）黑色反光镜在仪器调整中起什么作用?

（B）

A.确定起偏器的方位

B.确定检偏器的方位

C.确定波片的方位

3.（单选题）在椭偏仪实验中坐标系是选在待测薄膜的

（B）上。

A入射面

B表面

法、迭代法解非线性超越方程，本实验中使用（E）

A查图法

B查表法

5・（填空题））调整椭偏仪光路的步骤是，首先使激光光线与分光计仪器主轴垂直，并通过载物台中心，然后

确定（

C）的0亥I]

度位置，这要利用（A）的布鲁斯特角特性，然后再确定

（B）0刻度位置，最后调整1/4波片，使其快轴与

（C）成土45。

选择答案：

A黑色反光镜B检偏器C起偏器6.（填空题）将起偏器套在平行光管上，使0°位置朝上，从载物台上取下黑色反射镜，将检偏器管转到共轴位置，整体调节起偏器使检流计（A），固定起偏器螺钉。

此时起偏器与检偏器通光方向（C）O选择答案：

A光强最小B光强最大C平行D垂直

原始数据一记录^<4

1/4玻片

起偏器角度

检偏器角度

+45°（>90°）

103.4

91.7

+45°（<90°）

21.2

51.6

-45°（>90°）

106.5

98.6

-45°（<90°）

21.2

51.6

薄膜厚度：

110.0000

折射率：

1.4800

MUM

实验扌艮告正文成绩:

一、实验名称

椭偏仪测折射率和薄膜厚度

二、实验目的

1、了解椭偏仪测量薄膜参数的原理；

2、初步掌握反射型椭偏仪的使用方法。

三、实验仪器

椭偏仪平台及配件、He-Ne激光器及电源、起偏器、检偏器、四分之一波片、待测样品、黑色反光镜等。

四、实验原理

1.椭圆偏振光：

椭圆偏振光可以看成是由两个互相垂直振动（x和y

分量）具有固定位相差的偏振光迭加而成的。

用矢量公式表示为：

即:

实验扌艮告正文成绩:

其中Al、A2为x和y分量的振幅，a1和a2为x和y分量

的初位相，3为光的频率。

利用

（2）的两个公式消去时间t

就可以

得到光矢量运动的轨迹方程式，如图1示。

图1两个互相垂直振动的合成轨迹

当§二0或±兀时，合成为线偏振光，当6=±71/2时，合成为正椭圆偏振光，（A1二A2时为圆偏振光），当§在（-71,+兀）之间时合成为任意方位的椭圆偏振光，方位角0（见图示）满足以下公式：

可见当A1二A2,但6不等于Ji/2时方位角0总等于土兀/4,此时椭圆偏振光的长短轴比与并仅与8有关。

此时椭圆偏振光叫做等幅椭圆偏振光。

2.菲涅尔公式：

在光传播的过程中如果遇到两种介质界面时就会发生反射和折射，反射光和折射光的振幅和位相就会发生变化，这些变化可以用菲涅尔公式进行计算。

3.斯托克斯倒逆关系：

利用斯托克斯倒逆关系可以得到反射

率和折射率的简洁关系，所以在这里列出其公式：

4.光在双层界面薄膜系统上的反射规律：

当一束任意偏振态的单色光射入薄膜系统，在两个界面上发生多重反射和折射。

利用菲涅尔公式以及斯托克斯倒逆关系可以求得0、

1、2、3、4、...各光束的复振幅如下表所列（设入射光的复振幅为Ei）:

A1?

Id

5.椭偏仪结构图及测量原理

6.数据处理方法：

绘图法：

1）根据理论公式计算（n2,d-Pc,Ac）制成等折射率和等厚度表文件。

2）根据输入的制图条件，绘出等厚度和等折射率曲线，通过设置作图的坐标

实现局部放大和缩小。

利用将测量的（巾m,Am）值与图中（Vc,Ac）（理论曲线与实验值相交或很接近）逐步逼近的方法得到

（巾c,Ac）所对应的n2,d五、实验步骤

1、按调分光计的方法调整好主机。

2、水平度盘的调整。

3、光路调整。

4、检偏器读数头位置的调整与固定。

5、起偏器读数头位置的调整与固定。

6、1/4波片零位的调整

7、将样品放在载物台中央，旋转载物台使达到预定的入射角

70。

即望远镜转过40°,并使反射光在白屏上形

成一亮点

8、为了尽量减小系统误差，采用四点测量。

9、将相关数据输入“椭偏仪数据处理程序”，经过范围确定后，可以利用逐次逼近法，求出与之对应的d与n;由于仪器本身的精度的限制，可将d的误差控制在1埃左右，n的误差控制在0.01左右。

六、实验内容

1.熟悉并掌握椭偏仪的调整

2.调整光路，并使入射到样品的光为等幅椭圆偏振光

3.测量样品的折射率和厚度：

（1）选择测试样品最佳入射角

（2）测量角度。

4.计算样品的折射率和厚度的数据处理方法

七、数据处理

1/4玻片

起偏器角度

检偏器角度

+45°（>90°）

103.4

91.7

+45°（<90°）

21.2

51.6

-45°（>90°）

106.5

98.6

-450（<90°）

21.2

51.6

薄膜厚度：

110.0000

折射率：

1.4800

八、误差分析

实验测得的折射率比理论值偏大，厚度比理论值偏小，其可能

原因有：

1、待测介质薄膜表面有手印等杂质，影响了其折射率。

2、在开始的光路调整时，没有使二者严格共轴，造成激光与偏

振片、1/4波片之间不就是严格的正入射，导致测量

的折射率与理论值存在偏差。

3、消光点并非完全消光，所以消光位置只能由人眼估测，所以可能引入误差。

4、由于实验中需多次转动及调节、安装仪器，会破坏仪器的共轴特性。

虽经多次调节，但还就是会产生误差。

5、实验中肉眼观察导致误差，在系统拟合中出现误差。

九、注意事项

1、在实验之前，先检查各元器件是否齐全完好，并且区分望远镜、平行光管、起偏器和检偏器；

2、在分光计的调节过程中，在望远系统的调节前注意在内侧装上会聚透镜；

3、在测量之前应保证起偏器的内外盘读数头均处于零度，检偏器的外盘读数头处于90°。

在读数头的调节中应轻轻转动整个读数头而保持盘上的读数不变，注意1/4波片的放置及调整；

4、刚开始测量时检流计应打到最大档，在测量过程中根据实际情况从大到小调节量程。

衰减旋钮顺时针旋转至不可再旋时检流计上的示数为标准电流；

5、分别使检偏器外盘读数大于和小于90°,在此基础上分别转动起偏器的外盘到检流计示数最小。

十、思考题

1.检偏器，起偏器透光方向的零刻度是如何定位的？

答：

检偏器的零刻度定位：

将检偏器（检偏器的透光为0〃方向）套在望远镜筒上，90°读数朝上，将黑色反光镜置于载物台中央，使激光束按照布儒斯特角入射到黑色反光镜的表面。

根据布儒斯特定律，当入射角是布儒斯特角时，反射光将是垂直于入射面的完全线偏光，反射至望远镜筒内到达观察窗口白屏上成为-一个亮点，转动整个检偏器，调整与望远镜的相对位置，使观察窗口白屏上的光点达到最暗后固定检偏器，此位置即为检偏器的零刻度；起偏器的零刻度定位：

将起偏器套在平行光管镜筒上，0°读数朝上。

取下黑色反光镜，将望远镜系统转回原来位置，使起偏器，检偏器共轴，并使激光束通过中心，调整起偏器与镜筒的相对位置，找出最暗位置即为起偏器的零刻度位置。

2.入/4波片的作用是什么？

答：

1/4波片使得入射的线偏振光出射后为等幅的椭圆偏振光，从而出射光的P分量与s分量比值为一，进而使超越方程变得简单。

3.等幅椭圆偏振光是如何获得的，简述其原因。

答：

激光先经过竖直向上的偏振片，产生偏振方向为竖直方向的线偏振光，然后经1/4波片作用，射出时变为等幅椭圆偏振光。