基于面内光子自旋霍尔效应的偏振态调制型纳米级薄膜折射率测量方法及其应用

1.本发明属于精密测量领域，涉及一种基于面内光子自旋霍尔效应的偏振态调制型纳米级薄膜折射率测量方法及其应用。


背景技术：

2.随着现今科学技术的发展，各种器件和仪器越来越微型化，促使薄膜的生产制造技术也达到了纳米量级。纳米级薄膜与体积材料相比有许多奇特的性质：尺寸效应、表面效应、界面效应等，使得其具有独特的电学、光学和力学等特性，广泛地应用于微电子、光电子、航空航天、生物工程、武器装备、食品科学、医疗仪器和高分子材料等领域。纳米级薄膜的折射率是薄膜的基本光学常数，反映了光与薄膜的相互作用。一方面在光学器件、光电器件、半导体器件等器件中，纳米级薄膜的折射率是相关器件光学分析和优化设计的基础参数，影响各类器件的性能。另一方面，纳米级薄膜的折射率与块状材料不同，会受沉积方法、工艺参数和材料性能等因素的影响，即便是相同化学组分的薄膜材料在不同的沉积工艺和制备条件下得到的折射率也不相同。故而材料库或包装标签上给出的参考折射率，与实际值有一定的误差。因此，准确测定纳米级薄膜的折射率对新材料及其相关器件的设计、制造和应用等均具有重要意义。
3.目前纳米级薄膜折射率测量方法主要包括透射/反射光谱法、椭圆偏振法、表面等离子共振法等。透射/反射光谱法和椭圆偏振法都是属于光强调制型测量方法，会受光源的稳定性及背景光的影响。而表面等离子体共振法中有基于相位调制类型虽然不受光源的稳定性及背景光的影响，但是仅能检测金属薄膜的折射率，无法检测非吸收性薄膜。光子自旋霍尔效应是指一束偏振光在存在折射率梯度的界面发生反射或折射时，光束的左旋和右旋分量会在垂直于折射梯度方向上产生自旋相关的分裂位移。其在平行于和垂直于入射面的平面内均会发生自旋分裂位移，通常前者称为面内自旋分裂位移，后者称为面外自旋分裂位移。因光子自旋霍尔效应对反射/折射界面的属性变化极其敏感，纳米级薄膜的参数变动，即可引起其面内和面外自旋分裂位的变化，因此光子自旋霍尔效应在纳米级薄膜参数检测领域具有良好的应用前景。例如专利号为zl201910681547.5的中国发明专利的公开一种利用光子自旋霍尔效应测量纳米级薄膜厚度的方法，其基于面外自旋分裂位移，可实现纳米级薄膜厚度的测量。由光子自旋霍尔效应的成因可知，其源于光束在反射/折射过程中的光束所作用界面存在的折射率梯度差，这意味着光子自旋霍尔效应对界面材料折射率的变化会非常敏感。在以往的研究中，我们发现通常在同等参数条件下，面内光子自旋分裂位移要远大于面外光子自旋分裂位移。这意味着相比于面外光子自旋分裂位移，基于面内光子自旋分裂位移的参数测量会具有更高的灵敏度或者更高的分辨力，进而造成检测结果的不准确。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提出一种基于面内光子自旋霍尔效应的偏振态调制型纳米级薄膜折射率测量方法及其应用，该方法检测系统结构简单、易于操作，且测量时调制的是入射偏振态而非入射角，因此，测量过程中不会引入因入射角变动而引起的偏心误差。此外，该方法测量的是光斑质心的偏移，其不受环境光的影响，因而该方法具有测量精度高和稳定性好等优点。
5.本发明的技术方案是这样实现的：
6.基于面内光子自旋霍尔效应的偏振态调制型纳米级薄膜折射率测量方法，包括以下步骤：
7.(1)根据面内光子自旋分裂位移与薄膜折射率的理论关系模型，建立入射光束以任意入射角在不同厚度的纳米级薄膜表面反射时，各薄膜折射率所对应的入射偏振态与面内光子自旋分裂位移的理论对应关系数据组；
8.(2)将入射光以某一入射角和某一初始入射偏振态入射至被测材料，利用测量面内光子自旋分裂位移的方法，获得此偏振态下的面内光子自旋分裂位移。
9.(3)参照步骤(2)的方法，依次改变入射偏振态，获得一组入射偏振态下的面内光子自旋分裂位移的测量数据；
10.(4)将步骤(3)所获得的测量数据组与步骤(1)所得的理论对应关系数据组进行比对分析和计算，最终确定纳米级薄膜的折射率。
11.上述步骤(1)中面内光子自旋分裂位移与薄膜折射率的理论关系模型为：
[0012][0013][0014]
其中，
[0015][0016][0017][0018][0019][0020][0021]
这里，表示面内空间自旋分裂位移，表示面内角自旋分裂位移；σ表示光束的自旋量，σ＝+表示光束的左旋分量，σ＝-表示光束的右旋分量；n表示被测薄膜的折射率；a
p
＝cos(γi)，as＝sin(γi)，γ为入射光的偏振角；r
p
和rs分别表示反射系数r
p
和rs的模值；φ
p
和φs分别表示反射系数r
p
和rs的相位；r
p
和rs分别为入射光的水平分量和垂直分量在反射时的反射系数；a∈{p,s}，re表示取复数的实部，im表示取复数的虚部；θ为入射角；zr＝kiω
02
/2表示瑞利长度，ω0为高斯光束的束腰；ki＝2πn1/λ，
n1代表反射界面中第一层介质的折射率，λ为入射光在第一介质中传播时的波长。
[0022]
上述反射系数r
p
和rs受被测纳米级薄膜的折射率的影响时，反射系数r
p
和rs可由菲涅耳方程得到，反射系数r
p
和rs的计算公式如下：
[0023][0024][0025][0026][0027]
其中，r
12
为第一层介质和纳米级薄膜交界面的反射系数，r
23
为纳米级薄膜和第三层介质交界面的反射系数；i表示虚数，n3代表反射界面中第三层介质的折射率；n2代表反射界面中被测纳米级薄膜的折射率；上标字母p和s分别代表反射光的水平分量和垂直分量，d代表被测薄膜的厚度，m代表反射界面中的介质层数，k0＝2π/λ代表入射光在真空的波数。
[0028]
上述步骤(1)中入射偏振态为线偏振或椭圆偏振态，面内光子自旋分裂位移为光束的左旋分量或右旋分量的面内光子自旋分裂位移。
[0029]
上述步骤(2)中某一入射角为0-90
°
中的任一角度。
[0030]
优选的，所述测量面内光子自旋分裂位移的方法为量子弱测量法。
[0031]
上述步骤(3)中改变入射偏振态指改变入射偏振角、改变入射偏振相位或同时改变入射偏振角和入射偏振相位。
[0032]
上述步骤(4)中的比对分析和计算的操作为：先计算测量数据组与各折射率下的理论对应关系数据组的残差平方和，当残差平方和最小时的理论数据组所对应的折射率值，即为被测薄膜的折射率值。
[0033]
进一步的，所述薄膜为任意材质膜，薄膜为单层或多层结构。
[0034]
上述的偏振态调制型纳米级薄膜折射率测量方法在测量光斑质心的偏移中的应用。
[0035]
本发明具有以下有益效果：
[0036]
1、本发明基于面内光子自旋分裂位移，通过调制入射光的偏振态，并基于面内光子自旋分裂位移与纳米级薄膜折射率的依赖关系，实现了对纳米级薄膜折射率的非接触、无损、高灵敏和高稳定性的测量，且检测系统结构简单、便于操作。
[0037]
2、本技术通过建立不同厚度的薄膜材料在各折射率下，面内光子自旋分裂位移随入射偏振态变化的数据库；将待检测的纳米级薄膜放到样品台上，在某入射角下，依次采集不同入射偏振态时面内光子自旋分裂位移的测量数据。将该测量数据与数据库中的相应理论数据进行比对，进而确定被测纳米级薄膜的折射率。本发明的检测系统结构简单、易于操作，且测量时调制的是入射偏振态而非入射角，因此，测量过程中不会引入因入射角变动而引起的偏心误差。此外，该方法测量的是光斑质心的偏移，其不受环境光的影响，因而该方
法具有测量精度高和稳定性好等优点。
附图说明
[0038]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0039]
图1为本发明中光束在被测样品表面发生面内空间自旋分裂的示意图。
[0040]
图2为本发明纳米级薄膜折射率为1-2riu时对应的反射光左旋分量的面内空间自旋分裂位移随偏振角变化的曲线图。
[0041]
图3为本发明纳米级薄膜折射率为2-4riu时对应的反射光左旋分量的面内空间自旋分裂位移随偏振角变化的曲线图。
[0042]
图4为本发明纳米级薄膜折射率为4-6riu时对应的反射光左旋分量的面内空间自旋分裂位移随偏振角变化的曲线图。
[0043]
图5为本发明用于测量面内光子自旋分裂位移的装置示意图；其中1-激光器、2-半波片、3-偏振片ⅰ、4-被测样品、5-样品台、6-透镜、7-偏振片ⅱ、8-成像装置、9-计算机。
[0044]
图6为本发明基于面内空间自旋分裂位移的折射率拟合结果图
[0045]
图7为本发明中光束在被测样品表面发生面内角自旋分裂的示意图。
[0046]
图8为本发明基于面内角自旋分裂位移的折射率拟合结果图。
具体实施方式
[0047]
下面将结合本发明实施例，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0048]
实施例1
[0049]
本实施例通过调制入射偏振角γi，并基于面内空间自旋分裂位移δ
x
测量被测薄膜的折射率。本实施例中采用的入射光束为波长为632.8nm、束腰ω0为10μm的高斯光束。光束以入射角θ＝70
°
的角度入射到被测纳米级薄膜样品表面上，薄膜厚度为100nm。
[0050]
薄膜折射率与面内空间自旋分裂位移的理论关系模型为：
[0051][0052]
其中，
[0053][0054][0055][0056]
[0057]
这里，σ表示光束的自旋量，σ＝+表示光束的左旋分量，σ＝-表示光束的右旋分量；a
p
＝cos(γi)，as＝sin(γi)，γ为入射光的偏振角；r
p
和rs分别表示反射系数r
p
和rs的模值；φ
p
和φs分别表示反射系数r
p
和rs的相位；r
p
和rs分别为入射光的p分量和s分量在反射时的反射系数；a∈{p,s}，re表示取复数的实部，im表示取复数的虚部；θ为入射角；zr＝kiω
02
/2表示瑞利长度，ω0为高斯光束的束腰；ki＝2πn1/λ，n1代表反射界面中第一层介质的折射率，λ为入射光在第一介质中传播时的波长；
[0058]
反射系数r
p
和rs受被测纳米级薄膜的折射率的影响，根据菲涅耳方程：
[0059][0060][0061][0062][0063]r12
为第一层介质和纳米级薄膜交界面的反射系数，r
23
为纳米级薄膜和第三层介质交界面的反射系数。i表示虚数，n3代表反射界面中第三层介质(基底)的折射率；n2代表反射界面中被测纳米级薄膜的折射率。
[0064]
由等式可知
①
，纳米级薄膜的折射率的变化，会引起反射系数r
p
和rs的变化，进而引起面内空间自旋分裂位移的变化。并且不同的折射率，所对应的入射偏振角γi下的面内空间自旋分裂位移δ
xm
数组也是不一样的，即不同薄膜折射率下的[γ
im
,δ
xm
]数组是不一样的。为了理论上验证此方法的可行性，我们绘制了被测薄膜厚度为100nm时，不同薄膜折射率下，反射光束左旋分量的面内空间自旋位与入射光偏振角的关系曲线，如图2-图4所示。从图2中可以看出，即使薄膜的折射率变化0.1riu，不同曲线也具有良好的区分度，因此通过比对分析理论数据和测量数据，可以确定被测薄膜的折射率。
[0065]
下面结合附图，详细纳米级薄膜折射率的具体测量过程。
[0066]
(1)根据等式
①
，建立不同折射率下，各薄膜厚度、入射角、各入射偏振角所对应的面内空间自旋分裂位移的理论数据库。
[0067]
(2)选择入射光为线性偏振光，调整该入射光的偏振角γi为-10
°
，让该入射光以70
°
的入射角入射至被测薄膜表面。反射光束的左旋分量和右旋分量会在薄膜界面发生面内空间光子自旋分裂，如图1所示，然后我们利用量子弱测量法测量此时的面内空间光子自旋分裂位移。利用量子弱测量测量面内空间光子自旋分裂位移的装置示意图如图5所示。激光器1产生线性偏振的光束，光束依次通过半波片2和偏振片ⅰ3，然后入射到被测纳米级薄膜样品4的表面，并在此界面发生反射。因反射界面存在折射率梯度，致使光束发生面内光子自旋霍尔效应，进而使反射光束的左旋和右旋分量发生面内空间自旋分裂。反射光束垂直经过透镜6以及偏振片ⅱ3，最终光束垂直入射到感光成像装置8上，而成像装置8所呈现的光斑图像信息传输到计算机9上，利用此光斑图像求取图像中的光斑重心位移，最终得出
左旋分量空间位移的值δ
x
。转动转偏振片ⅰ3可以改变入射光束的偏振角γi，在本实施例中偏振片ⅰ3的初始偏振角γi＝-10
°
，被测薄膜的厚度为100nm，被测样品4被放置于样品台5的上面，转动样品台5可以调整光束入射到被测薄膜样品4表面的角度，在本实施例中的入射角度θ＝70
°
。透镜6用于准直光束，转动偏振片ⅱ3可以调整弱测量的后选择态。
[0068]
(3)间隔1
°
，依次转动偏振片ⅰ3，并记录对应偏振角γ
im
下应的面内空间自旋分裂位移δ
xm
。直至入射光的偏振角γi＝10
°
。这样，可得到一组[γ
im
,δ
xm
]数据，m＝1,2,
……
，21。具体数据如表1所示。
[0069]
表1：不同的入射偏振角情况下的测量和计算数据
[0070][0071]
(4)根据步骤(1)中各薄膜折射率所对应的理论数据和步骤(3)中的测量数据组[γ
im
,δ
xm
]，计算测量数据与各折射率下的理论数据[γ
itm
,δ
xtm
]的残差平方和，残差平方和最小时，[γ
itm
,δ
xtm
]所对应的折射率即为被测薄膜的折射率，具体数据如表1所示。
[0072]
残差平方和的具体计算方法如下：
[0073][0074]
残差平方和式中，lm代表测量数据δ
xm
，ym代表理论数据δ
xtm
，vm代表残余误差(简称残差)。
[0075]
经过计算分析，当折射率为1.7662时，其对应的面内空间自旋分裂位移理论值与测量数据之间的残差平方和最小，则1.7662即为被测薄膜折射率的测量值。图6为基于面内空间自旋分裂位移折射率拟合结果图，黑色曲线即为折射率为1.7662时，面内空间自旋分裂位移与偏振角的理论关系曲线，黑色圆圈为测量数据。目前的光学常数手册中显示，al2o3固体物质在波长为632.8nm下的折射率约为1.77，而本实施例测量的100nm厚的al2o3薄膜的折射率为1.7662，因此本发明中所提到的测量方法是可行的。
[0076]
实施例2
[0077]
本实施例基于面内角自旋分裂位移θ
x
测量被测薄膜的折射率，薄膜折射率与面内角自旋分裂位移的理论关系模型为：
[0078][0079]
其中，
[0080][0081][0082]
等式
②
中参数字母表示的含义见实施例1。由等式
②
可知，纳米级薄膜的折射率的变化，会引起反射系数r
p
和rs的变化，进而引起面内角自旋分裂位移的变化。并且不同的折射率，所对应的入射偏振角γi下的面内角自旋分裂位移θ
x
数组也是不一样的，即不同薄膜折射率下的[γ
im
,θ
xm
]数组是不一样的。因此通过比对分析理论数据和测量数据，可以确定被测薄膜的折射率。
[0083]
下面结合附图，详细纳米级薄膜折射率的具体测量过程。
[0084]
(1)根据等式
②
，建立不同折射率下，各薄膜厚度、入射角、各入射偏振角所对应的面内角自旋分裂位移的理论数据库。
[0085]
(2)选择入射光为线性偏振光，调整该入射光的偏振角γi为-10
°
，让该入射光以70
°
的入射角入射至被测薄膜表面。反射光束的左旋和右旋分量会在薄膜界面发生面内角自旋分裂，如图7所示，然后我们利用量子弱测量法测量此时的面内角光子自旋分裂位移。利用量子弱测量测量面内角光子自旋分裂位移的装置示意图如图5所示。
[0086]
(3)间隔1
°
，依次转动偏振片ⅰ3，并记录对应偏振角γ
im
下应的面内空间自旋分裂位移θ
xm
。直至入射光的偏振角γi＝10
°
。这样，可得到一组[γ
im
,θ
xm
]数据，m＝1,2,
……
，21。
[0087]
(4)根据步骤(1)中各薄膜折射率所对应的理论数据和步骤(3)中的测量数据组[γ
im
,θ
xm
]，计算测量数据与各折射率下的理论数据[γ
itm
,θ
xtm
]的残差平方和，残差平方和最小时，[γ
itm
,θ
xtm
]所对应的折射率即为被测薄膜的折射率。残差平方和的具体计算方法与实施例1中的计算方法相同。
[0088]
经过计算分析，当折射率为1.7665时，面内角自旋分裂位移理论值与测量数据之间的残差平方和最小，即，被测薄膜折射率的测量结果为1.7665。图8为基于面内角自旋分裂位移的折射率拟合结果图，该图中的黑色曲线即为折射率为1.7665时，面内角自旋分裂位移与偏振角的理论关系曲线，黑色圆圈为测量数据。目前的光学常数手册中显示，al2o3固体物质在波长为632.8nm下的折射率约为1.77，而本实施例测量的100nm厚的al2o3薄膜的折
射率为1.7665，因此本发明中所提到的测量方法是可行的。
[0089]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。