一种基于单弹光调制器的光谱椭偏精确测量装置及方法

1.本发明属于光谱椭偏测量装置及方法技术领域，具体涉及一种基于单弹光调制器的光谱椭偏精确测量装置及方法。


背景技术：

2.随着微电子、光学镀膜、半导体、平板显示等技术发展，高精光谱度椭偏薄膜技术成为该领域检测的重要手段，具有非接触无损和高精度的优点。但现有光谱椭偏有机械旋转偏振器件，导致速度很慢，无法满足高速在线光谱椭偏检测需要。由于弹光调制器(photoelastic modulator,pem)具有调制频率高、光谱范围宽(可从真空紫外到远红外)等优点，传统相位调制器件无法实现宽波段的相位调制，已有报到采用弹光调制器实现高速椭偏测量，但传统的弹光调制椭偏测量由于相位延迟幅值长期稳定性差，导致椭偏测量精度下降，无法在高速在线检测中使用，并且无法实现高精度光谱椭偏的测量。为此，提出一种基于单弹光调制的光谱椭偏精确测量方法。


技术实现要素：

3.针对上述现有光谱椭偏速度慢、弹光调制椭偏测量中相位延迟幅值无法精确控制等问题，导致椭偏测量速度慢、精度下降的技术问题，本发明提供了一种基于单弹光调制器的光谱椭偏精确测量装置及方法，采用单弹光调制加宽波段单色仪的光谱椭偏测量方法，结合锁相调制后光信号不同频率信号，实时获得弹光调制器的延迟幅值，实现弹光调制器相位延迟幅值实时监测，比采用外加光路的监测系统简单，最后通过单色仪及计算精确获得光谱椭偏分析。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
5.一种基于单弹光调制器的光谱椭偏精确测量装置，包括单色仪、起偏器、弹光调制器、被测样品、检偏器、探测器、弹光调制器驱动控制器、多路数字锁相放大电路和计算机，所述单色仪的光路方向上依次设置有起偏器、弹光调制器、被测样品，所述被测样品的反射光路上依次设置有检偏器、探测器，所述弹光调制器电性连接在弹光调制器驱动控制器上，所述弹光调制器驱动控制器电性连接在多路数字锁相放大电路上，所述探测器电性连接在多路数字锁相放大电路上，所述多路数字锁相放大电路电性连接在计算机上，所述计算机与单色仪电性连接。
6.所述起偏器采用0
°
起偏器，所述弹光调制器采用45
°
弹光调制器，所述检偏器采用45
°
检偏器。
7.一种基于单弹光调制器的光谱椭偏精确测量装置的测量方法，包括下列步骤：
8.s1、单色仪发出的单色光依次通过起偏器、弹光调制器、被测样品、检偏器和探测器构成测量光路；
9.s2、根据弹光调制驱动控制的驱动频率作为参考信号，多路数字锁相放大电路获得的调制信号进行锁相放大；
10.s3、通过计算机数据处理实时获得弹光调制器的相位延迟幅值，进而精确获得被测样品该波长下的椭偏参量δ和ψ；
11.s4、通过计算机控制单色仪的不同的输出波长光通过测试系统，同时根据输出波长调节弹光调制器的驱动电压使其相位延迟幅值满足测试要求，重复上述测量，进而实现光谱椭偏测量。
12.所述s3中通过计算机数据处理实时获得弹光调制器的相位延迟幅值的方法为：包括下列步骤：
13.s3.1、计算被测光的stokes参量s
out
；
14.s3.2、求出起偏器、弹光调制器、被测样品和检偏器对应的米勒矩阵；
15.s3.3、计算探测器探测光强的bessel函数；
16.s3.4、以弹光调制器驱动控制器的驱动信号为参考，多路数字锁相放大电路获得一倍频、二倍频、三倍频、四倍频信号的幅值，计算弹光调制器的任意时刻调制相位延迟幅值。
17.所述s3.1中计算被测光的stokes参量s
out
的方法为：
18.单色仪发出波长为λ的单色光stokes参量s
in
经过整个测量光路后的stokes参量s
out
为：
19.s
out
(λ)＝mam
x
(λ)m
pem
(λ)m
psin
(λ)
ꢀꢀ
(1)
20.其中，s
in
(λ)＝[i
in
(λ),q
in
(λ),u
in
(λ),v
in
(λ)]
t
,s
out
(λ)＝[i
out
(λ),q
out
(λ),u
out
(λ),v
out
(λ)]
t
。
[0021]
所述s3.2中起偏器、弹光调制器、被测样品和检偏器对应的米勒矩阵分别为m
p
、m
pem
(λ)、m
x
(λ)和ma：
[0022][0023][0024]
其中，δ
λ
和ψ
λ
为被测样品的椭偏参量，δ
λ
为被测样品波长为λ反射光p偏振光和s偏振光相位差，ψ
λ
为被测样品波长为λ反射光p偏振光和s偏振光振幅比，为弹光调制器波长λ对应的调制相位延迟，为弹光调制器波长λ对应的调制相位延迟幅值，ω为弹光调制器的调制驱动角频率。
[0025]
所述s3.3中计算探测器探测光强的bessel函数的方法为：
[0026]
由于探测器只能获得stokes参量s
out
中的i
out
，因此探测器探测光强的bessel函数展开为：
[0027][0028]
其中n＝1、2、3...，j
x
(y)是对应y下的第x级bessel函数。
[0029]
所述s3.4中计算弹光调制器的任意时刻调制相位延迟幅值的方法：
[0030]
根据(3)式，以弹光调制器驱动控制器的驱动信号为参考，多路数字锁相放大电路获得一倍频、二倍频、三倍频、四倍频信号的幅值分别为：
[0031][0032]
其中，i
ω
(λ)、i
2ω
(λ)、i
3ω
(λ)、i
4ω
(λ)为探测器经过锁相放大获得的频率分别为ω、2ω、3ω、4ω的信号幅值；
[0033]
根据(4)式实时测得弹光调制相位延迟幅值为：
[0034][0035]
其中，为的反函数。
[0036]
所述s3中获得被测样品该波长下的椭偏参量δ和ψ的方法为：
[0037]
将(5)式带入(4)式测得被测样品的光谱椭偏参量ψ
λ
为：
[0038][0039]
将(5)和(6)式带入(4)式测得被测样品的光谱椭偏参量δ
λ
为：
[0040]
[0041]
根据上述推导可知，只要获得探测器信号中频率分别为ω、2ω、3ω、4ω的信号幅值，结合单色仪每个波长光强精确获得：弹光调制器任意时刻该波长λ下调制相位延迟幅值被测样品的在该波长λ下椭偏参量ψ
λ
和δ
λ
，结合单色仪宽波段扫描，重复上述过程，即实现宽波段光谱椭偏测量。
[0042]
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
[0043]
本发明通过对单个弹光调制加单色仪宽波段单色光扫描，结合对调制后的光电信号进行多倍频信号锁相放大，提高信号的信噪比，结合对多倍频信号幅值理论计算实时获得弹光调制器自身调制相位幅值波动，解决长时间工作及环境影响导致弹光调制器相位延迟幅值不稳定问题，并且根据单色仪输出波长的不同可实时调节弹光调制器驱动电压，以保证最佳调制效率。进而结合单色仪不同单色光扫描实现被测样品的光谱椭偏参数δ和ψ的精确测量。
附图说明
[0044]
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
[0045]
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
[0046]
图1为本发明的结构示意图。
[0047]
其中：1为单色仪，2为起偏器，3为弹光调制器，4为被测样品，5为检偏器，6为探测器，7为弹光调制器驱动控制器，8为多路数字锁相放大电路，9为计算机。
具体实施方式
[0048]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制；基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0049]
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0050]
在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0051]
在本实施例中，如图1所示，测试系统由单色仪1、起偏器2、弹光调制器3、被测样品
4、检偏器5、探测器6、弹光调制器驱动控制器7、多路数字锁相放大电路8和计算机9构成。单色仪1发出的单色光依次通过起偏器2、弹光调制器3、被测样品4、检偏器5和探测器6构成测量光路；根据弹光调制驱动控制7的驱动频率作为参考信号，多路数字锁相放大电路8获得的调制信号进行锁相放大，最后通过计算机9数据处理实时获得弹光调制器3的相位延迟幅值，进而精确获得被测样品该波长下的椭偏参量δ和ψ，再通过计算机9控制单色仪的不同的输出波长光通过测试系统，同时根据输出波长调节弹光调制器3的驱动电压使其相位延迟幅值满足测试要求，重复上述测量，进而实现光谱椭偏测量。优选的，起偏器2采用0
°
起偏器，弹光调制器3采用45
°
弹光调制器，检偏器5采用45
°
检偏器。具体的方案如下：
[0052]
单色仪1发出波长为λ的单色光stokes参量s
in
经过整个测量光路后的stokes参量s
out
为：
[0053]sout
(λ)＝mam
x
(λ)m
pem
(λ)m
psin
(λ)
ꢀꢀ
(1)
[0054]
其中，s
in
(λ)＝[i
in
(λ),q
in
(λ),u
in
(λ),v
in
(λ)]
t
,s
out
(λ)＝[i
out
(λ),q
out
(λ),u
out
(λ),v
out
(λ)]
t
；m
p
、m
pem
(λ)、m
x
(λ)和ma分别为起偏器2、弹光调制器3、被测样品4、检偏器5对应的米勒矩阵：
[0055][0056][0057]
其中，δ
λ
和ψ
λ
为被测样品的椭偏参量，δ
λ
为被测样品波长为λ反射光p偏振光和s偏振光相位差，ψ
λ
为被测样品4波长为λ反射光p偏振光和s偏振光振幅比，为弹光调制器3波长λ对应的调制相位延迟，为弹光调制器3波长λ对应的调制相位延迟幅值，ω为弹光调制器3的调制驱动角频率。
[0058]
由于探测器只能获得stokes参量s
out
中的i
out
，因此探测器6探测光强并bessel函数展开为：
[0059][0060]
其中n＝1、2、3...，j
x
(y)是对应y下的第x级bessel函数。
[0061]
根据(3)式，以弹光调制器驱动控制器7的驱动信号为参考，多路数字锁相放大电路8获得一倍频、二倍频、三倍频、四倍频信号的幅值分别为：
[0062][0063]
其中，i
ω
(λ)、i
2ω
(λ)、i
3ω
(λ)、i
4ω
(λ)为探测器6经过锁相放大获得的频率分别为ω、2ω、3ω、4ω的信号幅值。
[0064]
根据(4)式可实时测得弹光调制相位延迟幅值为：
[0065][0066]
其中，为的反函数。
[0067]
将(5)式带入(4)式可测得被测样品的光谱椭偏参量ψ
λ
为：
[0068][0069]
将(5)和(6)式带入(4)式可测得被测样品4的光谱椭偏参量δ
λ
为：
[0070][0071]
根据上述推导可知，只要获得探测器6信号中频率分别为ω、2ω、3ω、4ω的信号幅值，结合单色仪1每个波长光强就可精确获得：弹光调制器3任意时刻该波长λ下调制相位延迟幅值被测样品4的在该波长λ下椭偏参量ψ
λ
和δ
λ
，结合单色仪1宽波段扫描，重复上述过程，即可实现宽波段光谱椭偏测量。解决环境影响及弹光调制器自身长时间工作温度效应影响导致调制相位幅值不稳定对光谱椭偏测量精度下降问题；也可根据不同波长通过弹光调制器驱动电压调节，实时时弹光调制相位幅值工作在最佳位置，解决传统相位波片色散导致椭偏测量精度下降问题。
[0072]
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。