专利名称：用于椭偏测量系统中光路通断自动控制的装置和方法
技术领域：
本发明涉及光学测量领域，尤其是一种用于椭偏测量系统中光路通断自动控制的
装置和方法。
背景技术：
椭偏测量技术是表征纳米薄膜的重要手段之一，它利用探测光波经表面反射时偏 振态的变化来探测样品的信息(如，折射率n、消光系数k、纳米薄膜的厚度、表面粗糙度、材 料电子振动信息等)。该技术的优点在于(1)测量时对样品无扰动、无破坏性，因此可进行 实时测量、离体乃至在体测量；(2)灵敏度可达到原子层量级的分析水平，因此可对纳米薄 膜进行高灵敏度的探测；(3)对样品材料几乎无限制，可适合于绝缘体、导体、半导体；(4) 对环境要求低，无需真空等特殊条件，在普通实验环境中就可进行。基于其优点，该技术已 广泛应用于微电子工业、表面材料和生物医学等领域。 利用椭偏测量技术获得样品的参数(如，折射率、消光系数、薄膜厚度等)的一般 步骤是(l)利用椭偏测量系统得到样品的椭偏角(V和A) ;(2)对样品进行模型化，即建 立椭偏角与样品参数的关系；(3)利用数据拟合的方法获得样品的参数。因此，在利用椭偏 测量技术对样品进行分析时，最基本的任务是利用椭偏测量系统获得样品的椭偏角(V和 A)。 椭偏测量系统最基本的结构为光源_起偏器_样品_检偏器_光电传感器。在 此基础上，根据不同的应用需求，发展了多种不同的结构，如光源-起偏器-补偿器-样 品_检偏器_光电传感器、光源_起偏器_样品_补偿器_检偏器_光电传感器等。在椭 偏测量系统中，光束的传播一般是光源发出的探测光波经起偏器、补偿器等偏振器件后成 为偏振态已知的偏振光，然后入射到样品表面上，样品对入射光波的幅值和相位进行调制， 从而使得反射光波的偏振态发生变化，再经过补偿器、检偏器等偏振器件后探测光波进入 光电传感器，从而获得探测光波的强度。可以看出，椭偏测量系统的结构中光源和起偏器是 必备的。 为了定量测量椭偏参数(V和A)，对应于系统的结构发展了不同的采样方法，包 括零椭偏法、旋转起偏器法、旋转检偏器法、旋转补偿器法，以及相位调制法等。
当利用椭偏测量系统对样品进行测量时，很多情况下会要求把探测光波在入射到 样品之前切断，如(l)测量完成后，为了避免探测光波长时间照射样品导致样品受到破坏 (如，导致生物样品失水)；(2)在放置或调整样品时，为了避免操作人员的皮肤或眼睛受到 探测光波的照射而灼烧；(3)在进行实时测量时，为了防止反应液长时间受到探测光波照 射而导致温度升高，所以要求在每次采样点之间切断照射到样品上的探测光波。因此，在实 际的椭偏测量系统中，对入射到样品上的探测光波进行通断控制是一个重要的基本问题。
解决上述问题的现有方法有(1)直接切断光源的电源供给这种方法非常简单， 但由于再次打开时光源需要经过一段时间(通常为数分钟)预热才能达到光能量的稳定输 出，而且频繁的开启会降低光源的有效使用寿命，因此这种方法应用不多；(2)在光源和样品之间插入一个可控的机械遮光光阑其原理是通过对光阑的机械或电子控制来达到对探 测光波的遮挡或通过，这种方法应用较普遍，但其不足在于增加了测量装置中器件的数目、 控制装置的数目、电源的能量供给、以及在动作时产生的较高强度的瞬间电磁干扰，同时使 得系统的重量和体积变大；(3)加入其它的辅助光学衰减器件(如，中性滤光片等)其不 足之处与(2)类似。由此可见，在椭偏测量系统中，现有的对入射到样品上的探测光波进行 通断控制的方法难以同时满足反应快速、结构简单、可靠性高等要求的应用场合。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种快速、无需额外附加器件、
结构简单、稳定可靠的用于椭偏测量系统中光路通断自动控制的装置和方法。 为实现上述目的，本发明用于椭偏测量系统中光路通断自动控制的装置，包括用
于产生具有偏振态的探测光波、并将其入射到样品上的起偏臂，及用于对经样品反射后光
波进行偏振态再调制和光能量检测的检偏臂，起偏臂包括线偏振光源和线性起偏器，其中
线性起偏器固定在起偏器旋转台的旋转轴上，该旋转轴的轴线与起偏臂的光轴相重合，控
制旋转轴转动来带动线性起偏器旋转，以改变线性起偏器方位角与线偏振光源产生的线偏
振光的方位角的差角e 。 进一步，所述检偏臂包括线性检偏器和光电传感器，其中线性检偏器的表面垂直 于所述检偏臂的光轴，该线性检偏器用于对所述样品的反射光偏振态进行调制；光电传感 器位于线性检偏器之后，用于接收通过线性检偏器的探测光波的光能量，并将其转化为电信号。 进一步，所述用于椭偏测量系统中光路通断自动控制的装置还包括依次电连接在 所述光电传感器和起偏器旋转台之间的数据采集器、电子计算机和控制箱，数据采集器用 于接收所述光电传感器传来的电信号，并将其转换成电子计算机能够处理的数字信号；电 子计算机用于接收数据采集器传来的数字信号；控制箱用于接收电子计算机发出的运动指 令、接收各器件的反馈信号并传回给电子计算机中进行处理，以驱动起偏器旋转台上的运 动部件旋转运动。 进一步，所述用于椭偏测量系统中光路通断自动控制的装置上还设置有相位补偿 器，该相位补偿器设置在所述起偏臂上的所述线性起偏器和样品之间的光路上，或设置在 所述检偏臂上的所述线性检偏器和样品之间的光路上。 进一步，所述线偏振光源输出的是线偏振光，包括线偏振输出的激光器、激光二极 管，也包括由非线性偏振光输出的氙灯、卤素灯、发光二极管、激光二极管、激光器、卤钨灯 与一线性偏振器件组合而成的具有线性偏振光输出的复合线偏振光源。 进一步，所述的线性起偏器为将任意光波变换成线偏振光的线性偏振器件，包括
二向色性线性偏振器、Nicol偏振棱镜、格兰_汤姆森偏振器或格兰_泰勒偏振器。 进一步，所述起偏器旋转台为由电机带动的中空传动装置，其上的电机与所述控
制箱中的电机驱动器电连接，电机带动所述线性起偏器围绕所述起偏臂的光轴进行旋转，
所述偏振器旋转台为中空的步进电机、中空的伺服电机、中空的蜗轮-蜗杆结构的旋转台
或中空的皮带带动的旋转台。 进一步，所述样品为平的镜面反射式块状或薄膜层构材料，所述样品接收来自所
5述起偏臂产生的偏振光波的照明，并对该光波的偏振态进行调制，由所述样品反射的光波 进入所述检偏臂，所述检偏臂的光轴与所述起偏臂的光轴在所述样品上交于一点，所述样 品表面法线和所述起偏臂的光轴之间的夹角为入射角，所述检偏臂的光轴和样品表面法线 所夹的角为反射角，并且满足入射角等于反射角。 —种应用权利要求1所述的装置实现对光路通断控制的方法，具体为 1)在电子计算机中输入或由电子计算机读取线偏振光源输出的线性偏振光的方
位角9p。以及当前线性起偏器的方位角9pp，并计算二者的差e = ePP-ea; 2)当需要切断入射到样品上的探测光波时，由电子计算机发出指令给控制箱，控 制箱驱动起偏器旋转台带动线性起偏器旋转，直至e = (2k+l)*90° (k为整数)为止；
3)当需要把入射到样品上的探测光从切断状态转换为正常照射状态时，由电子计
算机发出指令给控制箱，控制箱驱动起偏器旋转台带动线性起偏器旋转，直至线性起偏器
的方位角等于ePP。 本发明提供的用于椭偏测量系统中对入射到样品上的探测光束的通断进行控制
的装置和方法结构简单易于实现，而且不需要在现有椭偏测量系统的主光路中添加任何的 光学器件或机械装置，仅利用改变线性起偏器的方位角与线偏振光源输出的线偏振光的方
位角之差e来达到对光路进行通断控制。
图1为本发明实施例1结构示意图； 图2为本发明实施例2结构示意图； 图3为本发明实施例3结构示意图。 其中附图标记为 起偏臂l 线偏振光源IO 线性起偏器ll 起偏器旋转台12 位相补偿器13 样品2 检偏臂3 线性检偏器31 光电传感器32 控制箱41 电子计算机42 数据采集器4具体实施例方式
本发明用于椭偏测量系统中光路通断自动控制的装置和方法的基本原理是系统 采用具有线偏振探测光波输出的线偏振光源IO，通过调节线性起偏器11的方位角(即，
线性起偏器的透光轴与入射平面的夹角)来改变线偏振光源io输出的线偏振光的方位角
(即，偏振光的振动方向与入射平面的夹角)与线性起偏器11的方位角之差达到对入射到 样品2上的探测光波的通断控制，当需要断开光路时，把该夹角调节为90°的奇数倍，当需 要打通光路时，把线性起偏器11的方位角恢复原位即可。
本发明的目的是这样实现的 本发明提供的椭偏测量系统中对入射到样品上的探测光波通断进行控制的装置， 包括 —起偏臂l，用于产生具有一定偏振态的探测光波，并入射到样品2上 —样品2，样品2为平的镜面反射式的块状或薄膜层构材料，用于样品接收来自起
6偏臂1产生的偏振光波的照明，并对该光波的偏振态进行调制，由样品2反射的光波进入检 偏臂3，样品表面法线和起偏臂1的光轴形成了入射平面，二者所夹的角为入射角；
—检偏臂3，用于对经样品2反射后的光波进行偏振态的再调制和光能量的检测， 检偏臂3的光轴与起偏臂1的光轴在样品上交于一点，并位于入射平面内，检偏臂3的光轴 和样品表面法线所夹的角为反射角，满足入射角等于反射角； —线偏振光源10，位于起偏臂1上，该线偏振光源10用于产生具有线偏振的探测 光波； —线性起偏器11，位于起偏臂1上的线偏振光源10和样品2之间的光路上，其表 面垂直于起偏臂1的光轴，线性起偏器11用于将探测光束变换为线偏振光；
—线性检偏器31，位于检偏臂3上，其表面垂直于检偏臂3的光轴，线性检偏器31 用于对样品2的反射光偏振态进行调制； —光电传感器32，位于检偏臂3上的线性检偏器31之后，用于接收通过检偏器的 探测光波的光能量，并将其转化为电信号； —数据采集器43，与光电传感器32电连接，并用于接收光电传感器32传来的电信 号，将其转换成电子计算机42能够处理的数字信号； —电子计算机42，与数据采集器43电连接，并用于接收数据采集器43传来的数字 信号； —控制箱41，与电子计算机42和系统中的运动部件电连接，用于接收来自电子计 算机42发出的运动指令，接收来自各器件的反馈并传回给电子计算机42中进行处理，以及 驱动运动部件运动； 本发明用于椭偏测量系统中光路通断自动控制的装置还包括一用于固定线性起 偏器11的起偏器旋转台12，该起偏器旋转台12为中空的机电旋转装置，线性起偏器11固 定在其中空轴部分；起偏器旋转台12的旋转轴与起偏臂1光轴重合；起偏器旋转台12上的 运动执行机构与控制箱41电连接并受其驱动带动线性偏振器11旋转，从而改变线性起偏 器11的方位角与线偏振光源10产生的线偏振光的方位角的差9 。 在上述的技术方案中，线性起偏器12为可将任意光波变换成线偏振光的偏振器 件，包括二向色性线性偏振器、Nico1棱镜、格兰_汤姆森偏振器(Glan-Thompson偏振器) 或格兰-泰勒偏振器(Glan-Taylor偏振器)等。 在上述的技术方案中，还可以包括相位补偿器13，该相位补偿器13设置在起偏臂 1上的线性起偏器11和样品20之间的光路上，或位于检偏臂3上的线性检偏器31和样品 20之间。 在上述的技术方案中，所述的起偏器旋转台12为由电机带动的中空传动装置，包 括中空伺服电机，其特征是旋转中心轴是空的，用于固定安装线性起偏器11以改变线性起 偏器11的偏振方位角，也可以是具有位置指示的中空步进电机，也可以是由电机驱动减速 或加速旋转装置(如蜗轮-蜗杆结构的中空旋转台，或皮带带动的中空旋转台)等。该起 偏器旋转台12上的电机与控制箱41中的电机驱动器电连接，电子计算机42发出指令给控 制箱41，然后控制箱41驱动起偏器旋转台12进行旋转，从而改变线性起偏器11的方位角， 通过位置反馈器，可以将线性起偏器11的方位角反馈回驱动控制箱41。
本发明的光路通断控制装置的工作原理可表述如下
设线偏振光源10发出的线偏振的探测光波的方位角为e『此光波经过固定于起
偏器旋转台12中的线性起偏器ii，设线性起偏器li的方位角为e PP。因此，线偏振光源io
发出的线偏振的探测光波的方位角与线性起偏器li的方位角之差为
e = e pp- e pl 因此，线性起偏器11后的光波的能量为
I = KI。cos2 9 其中，I。为线偏振光源10发出的入射到线性起偏器11上的光能量值，K(O < K < 1)为线偏振光源10的透过率。 当e = (2k+l)*90° (k为整数)时，I =0，即入射到样品2上的光强为零。因 此，需要切断入射到样品上的探测光波时，由电子计算机42计算出当前的e值，然后发出 指令给控制箱41，控制箱41驱动起偏器旋转台12进行旋转从而改变线性起偏器11的方位
角9pp，因此达到改变e的目的，直至e等于9(T的奇数倍时停止，此时入射到样品上的
能量为零。当不需要切断入射到样品上的探测光波时，采用上述相同的方式，使线性起偏器
11等于9pp即可。 利用本发明提供的椭偏测量系统中对入射到样品上的探测光波通断进行控制的 方法，包括如下步骤 a)在电子计算机42中输入或电子由电子计算机42读取线偏振光源IO输出的
线性偏振光的方位角eK以及当前线性偏振器ii的方位角9pp，并计算二者的差e =
pp pU b)当需要切断入射到样品上的探测光波时，由电子计算机42发出指令给控制箱 41，控制箱41驱动偏振旋转台12带动线性偏振器11旋转，直至e = (2k+l)*90° (k为整 数)为止； c)当需要把入射到样品2上的探测光从切断状态转换为正常照射状态时，由电子 计算机42发出指令给控制箱41 ，控制箱41驱动偏振旋转台12带动线性偏振器11旋转，直 至线性偏振器11的方位角等于9 pp。
实施例1 如图l所示，该示意图显示的是用于椭偏测量系统(基本结构为光源-起偏 器_样品_检偏器_探测器)中的对入射到样品上的探测光束通断进行控制的装置。
该系统的结构为在起偏臂1上依次安装了线偏振光源IO和固定于起偏器旋转台 12中的线性起偏器ll，探测光经样品2反射后进入检偏臂3，检偏臂3上依次安装了线性检 偏器31和光电传感器32。为了控制调节线性起偏器11的方位角，起偏器旋转台12中的电 机与控制箱41电连接，接受其驱动。电子计算机42与控制箱41电连接，向其发出运动指 令，并接收来自控制箱41的反馈信息。光电传感器34接收探测光能量信号，并通过数据采 集器43的转换进入电子计算机42。起偏器旋转台12中的电机与控制箱41电连接，接收由 电子计算机42发出的指令由控制箱41发出的驱动。起偏器旋转台12的角度位置信号也 通过控制箱41反馈给电子计算机42。 在上述装置中，线偏振光源10为激光器或激光二极管等，其输出的光波是线偏振 光；线偏振光源10也可以是由氙灯、卤素灯、发光二极管、激光二极管、激光器、卤钨灯等非 偏振的光源和一线性偏振器件组合而成的复合光源，其特征是复合光源输出的探测光波是线偏振光。 在上述装置中，起偏器旋转台12为中空的伺服电机，其旋转中心轴是空的，用于 固定安装线性起偏器11以改变线性起偏器11的偏振方位角，起偏器旋转台12也可以是 具有角度位置指示的中空的步进电机，也可以是由电机驱动减速或加速旋转装置(如蜗 轮_蜗杆结构的中空旋转台，或皮带带动的中空旋转台)等。 在上述装置中，线性起偏器11和线性检偏器31均为可将任意光波变换成
线偏振光的偏振器件，例如二向色性线性偏振器、Nicol棱镜、格兰-汤姆森偏振器
(Glan-Thompson偏振器)或格兰_泰勒偏振器(Glan-Taylor偏振器)等。 在上述装置中，光电传感器32可为硅探测器，其可把光信号转换为电信号，也可
以为砷化镓等其它形式的光电传感器。 当需要对椭偏测量装置中入射到样品2上的探测光束进行通断控制时，采用如下 的方法步骤 a)在电子计算机42中输入或由电子计算机42读取线偏振光源10输出的线偏振
光的方位角pl以及线性偏振器li的方位角e PP，并计算二者的差e = e PP- e a ; b)当需要把入射到样品2上的探测光从正常照射状态转换为切断状态时，由电子 计算机42发出指令给控制箱41，控制箱41驱动起偏器旋转台12带动线性起偏器11旋转 以改变线性起偏器ll的方位角，直至9 = (2k+l)*90° (k为整数)为止，透过线性起偏器 ll的光能量为零； c)当需要把入射到样品2上的探测光从切断状态转换为正常照射状态时，由电子 计算机42发出指令给控制箱41，控制箱41驱动起偏器旋转台12带动线性起偏器11旋转， 直至线性起偏器11的方位角等于9 pp。
实施例2 如图2所示，该示意图显示的是用于椭偏测量系统(基本结构为光源-起偏 器_补偿器_样品_检偏器_探测器)中的对入射到样品上的探测光束通断进行控制的装置。 在上述装置中，与实施例1相比，区别在于位相补偿器13安装在起偏臂1上的线 性起偏器11和样品2之间，其它与实例1中的装置相同。 在上述装置中，位相补偿器13可以是1/4玻片或任意位相延迟的玻片，其在与光 波传播方向垂直的平面内具有互相垂直的快轴和慢轴两个方向，光波通过时，在两个方向 上光波的位相延迟差不同。该玻片可以是云母玻片、具有位相延迟的液晶、石英玻片、多层 薄膜玻片等。 在上述装置中，当需要对椭偏测量装置中入射到样品2上的探测光束进行通断控
制时，采用同实施例1相同的方法步骤。
实施例3 图3所示，该示意图显示的是用于椭偏测量系统(基本结构为光源-起偏器-样 品_补偿器_检偏器_探测器)中的对入射到样品上的探测光束通断进行控制的装置。
在上述装置中，除了将位相补偿器13安装在检偏臂3上线性起偏器11与样品2 之间外，其它与实例2中的装置相同。 在上述装置中，当需要对椭偏测量装置中入射到样品2上的探测光束进行通断控
9制时，采用同实施例2相同的方法步骤。
权利要求
用于椭偏测量系统中光路通断自动控制的装置，其特征在于，该装置包括用于产生具有偏振态的探测光波、并将其入射到样品上的起偏臂，及用于对经样品反射后光波进行偏振态再调制和光能量检测的检偏臂，起偏臂包括线偏振光源和线性起偏器，其中线性起偏器固定在起偏器旋转台的旋转轴上，该旋转轴的轴线与起偏臂的光轴相重合，控制旋转轴转动来带动线性起偏器旋转，以改变线性起偏器方位角与线偏振光源产生的线偏振光的方位角的差角θ。
2. 如权利要求l所述的用于椭偏测量系统中光路通断自动控制的装置，其特征在于，所述检偏臂包括线性检偏器和光电传感器，其中线性检偏器的表面垂直于所述检偏臂的光轴，该线性检偏器用于对所述样品的反射光偏振态进行调制；光电传感器位于线性检偏器之后，用于接收通过线性检偏器的探测光波的光能量，并将其转化为电信号。
3. 如权利要求2所述的用于椭偏测量系统中光路通断自动控制的装置，其特征在于，所述用于椭偏测量系统中光路通断自动控制的装置还包括依次电连接在所述光电传感器和起偏器旋转台之间的数据采集器、电子计算机和控制箱，数据采集器用于接收所述光电传感器传来的电信号，并将其转换成电子计算机能够处理的数字信号；电子计算机用于接收数据采集器传来的数字信号；控制箱用于接收电子计算机发出的运动指令、接收各器件的反馈信号并传回给电子计算机中进行处理，以驱动起偏器旋转台上的运动部件旋转运动。
4. 如权利要求3所述的用于椭偏测量系统中光路通断自动控制的装置，其特征在于，所述用于椭偏测量系统中光路通断自动控制的装置上还设置有相位补偿器，该相位补偿器设置在所述起偏臂上的所述线性起偏器和样品之间的光路上，或设置在所述检偏臂上的所述线性检偏器和样品之间的光路上。
5. 如权利要求4所述的用于椭偏测量系统中光路通断自动控制的装置，其特征在于，所述线偏振光源输出的是线偏振光，包括线偏振输出的激光器、激光二极管，也包括非线性偏振光输出的氙灯、卤素灯、发光二极管、激光二极管、激光器、卤钨灯与一线性偏振器件组合而成的具有线性偏振光输出的复合光源。
6. 如权利要求5所述的用于椭偏测量系统中光路通断自动控制的装置，其特征在于，所述的线性起偏器为将任意光波变换成线偏振光的线性偏振器件，包括二向色性线性偏振器、Nicol偏振棱镜、格兰_汤姆森偏振器或格兰_泰勒偏振器。
7. 如权利要求6所述的用于椭偏测量系统中光路通断自动控制的装置，其特征在于，所述起偏器旋转台为由电机带动的中空传动装置，其上的电机与所述控制箱中的电机驱动器电连接，电机带动所述线性起偏器围绕所述起偏臂的光轴进行旋转，所述偏振器旋转台为中空的步进电机、中空的伺服电机、中空的蜗轮-蜗杆结构的旋转台或中空的皮带带动的旋转台。
8. 如权利要求7所述的用于椭偏测量系统中光路通断自动控制的装置，其特征在于，所述样品为平的镜面反射式块状或薄膜层构材料，所述样品接收来自所述起偏臂产生的偏振光波的照明，并对该光波的偏振态进行调制，由所述样品反射的光波进入所述检偏臂，所述检偏臂的光轴与所述起偏臂的光轴在所述样品上交于一点，所述样品表面法线和所述起偏臂的光轴之间的夹角为入射角，所述检偏臂的光轴和样品表面法线所夹的角为反射角，并且满足入射角等于反射角。
9. 一种应用权利要求1所述的装置实现对光路通断控制的方法，具体为1) 在电子计算机中输入或由电子计算机读取线偏振光源输出的线性偏振光的方位角e P。以及当前线性起偏器的方位角e PP，并计算二者的差e = e PP- e a ;2) 当需要切断入射到样品上的探测光波时，由电子计算机发出指令给控制箱，控制箱 驱动起偏器旋转台带动线性起偏器旋转，直至e = (2k+l)*90°为止，其中k为整数；3) 当需要把入射到样品上的探测光从切断状态转换为正常照射状态时，由电子计算机 发出指令给控制箱，控制箱驱动起偏器旋转台带动线性起偏器旋转，直至线性起偏器的方 位角等于ePP。
全文摘要
本发明公开了一种用于椭偏测量系统中光路通断自动控制的装置和方法，包括用于产生偏振态探测光波、并将其入射到样品上的起偏臂，及用于对经样品反射后光波进行偏振态再调制和光能量检测的检偏臂，起偏臂包括线偏振光源和线性起偏器，其中线性起偏器固定在起偏器旋转台的旋转轴上，该旋转轴的轴线与起偏臂的光轴相重合，控制旋转轴转动来带动线性起偏器旋转，以改变线性起偏器方位角与线偏振光源产生的线偏振光的方位角的差角θ。本发明提供的装置和方法简单易于实现，而且不需要在现有椭偏测量系统的主光路中添加任何的光学器件或机械装置，仅利用改变线性起偏器的方位角与线偏振光源输出的线偏振光的方位角之差θ来达到对光路进行通断控制。
文档编号G01B11/30GK101718681SQ20091024180
公开日2010年6月2日 申请日期2009年12月9日 优先权日2009年12月9日
发明者杨良 申请人:杨良