椭圆偏振光谱下的封装方法及测量金属介电函数的方法

本发明涉及一种椭圆偏振光谱的封装方法及测量金属介电函数的方法，属于光学测量。

背景技术：

1、近年来，随着材料微纳加工与表征能力的提高，金属表面等离激元学在光谱测量、超构表面、光催化等领域展现出了广阔的应用前景。由于电磁场的高局域性，金属表面等离激元又呈现出高欧姆损耗的特性，使其在光电探测、光互连、集成光学等要求实现高效能量转化或高效信息传递的领域难以真正应用。如何降低表面等离激元的欧姆损耗，是等离激元学研究最重要的课题之一。

2、基于碱金属钠的等离激元微纳激光器和光波导器件，与以往研究常用的贵金属，如金、银相比，采用了钠基器件，在近红外波段的欧姆损耗可降低至50％以下。在低损耗与封装条件下，常规的介电常数测试手段在碱金属体系中仍然表现乏力，如何科学准确地测定其光学常数十分重要。

3、在高真空腔室内原位测量碱金属的介电函数，一方面对腔室真空度要求很高，另一方面将镀膜腔室与椭圆偏振仪集成化十分复杂，又难以避免镀膜过程中碱金属的氧化。因而可以对碱金属封装后在椭圆偏振仪上检测，现有专利202110774099.0一种封装条件下测量椭圆偏振光谱的方法提出了在对碱金属材料封装后通过椭圆偏振仪获得介电函数。光路如图1所示，入射光的入射角大小为α，产生多级反射光，椭偏仪探测器采集1st反射光的信号。依据菲涅尔公式，推导封装条件下不同类型样品的介电常数与椭圆偏振光谱直接测量数据的关系，得到解析表达式(6)：

4、

5、其中εm为所测材料介电常数，εs为封装层介电常数，β是光进入封装层后的折射角，由斯涅尔定律确定，ρ是反射光的p偏振分量与s偏振分量的比值，由椭偏仪直接测得，t由下式计算得到：

6、

7、然而不得不面对的问题是，(1)由于封装层的存在会导致入射光线出现多级反射光线，不合理厚度的封装层会导致探测器所需反射光线与其余反射光线交错，无法精准接收所需反射光线。(2)实践中很难做到大面积的干净“封装层-金属”界面，局部会存在一些小气泡或者其它杂质，入射的白光也具有一定的口径，倘若入射光照射在这些杂质上面，测量结果往往是不准确的。所以椭偏仪的两臂上往往各装一个透镜，用于缩小照射到界面上的光斑大小，并在测量过程中移动样品将光斑停留在干净的“封装层-金属”界面。由于透镜的引入，使得照射到界面上的光束不再是平行光，而是具有一定发散角的汇聚光束。在此情形下应用上述测量公式，发现封装材料的色散效应将给测量带来一定的误差，并在特定情况下误差无法忽略。

技术实现思路

1、本发明为了解决封装层导致的探测器接收光线受其余反射光线影响，导致测量不精准的问题，提供了一种椭圆偏振光谱测量的封装方法，采用该封装方法获取的器件在进行椭圆偏振光谱测量时，二级反射光(探测器所需光线)与一级反射光和三级反射光分离，精准探测到二级反射光光信号。

2、所采取的技术方案为：一种椭圆偏振光谱下的封装方法，采用封装材料对待测材料进行封装，封装层厚度通过以下方式获取：

3、获取一级反射光在探测器上的光斑位置z1与封装厚度d之间的关系式一，所述一级反射光为入射光经封装层表面反射后的光线；

4、获取二级反射光在探测器上的光斑位置z2与封装厚度d之间的关系式二，所述二级反射光为入射光经封装材料碱金属界面反射一次的光线；

5、获取三级反射光在探测器上的光斑位置z3与封装厚度d之间的关系式三，所述三级反射光为入射光经封装材料-碱金属界面反射两次的光线；

6、通过关系式一、关系式二、关系式三获取z2与z1、z3光斑区域分离的最小d值，所述最小d值为封装材料的最小厚度值d1。

7、作为一种优选，所述关系式一为：

8、

9、所述关系式二为：

10、

11、所述关系式三为：

12、

13、式中：α是中心光束入射角，β是中心光束折射角，θ是入射光束相对中心光束偏离角，γ是折射角，f是透镜焦距，l是探测器平面到透镜距离，h是透镜焦点f距封装层上表面深度，n是封装层折射率；中心光束为光束中心光线，即处于光束中心位置的光线。

14、根据公式(1)、公式(2)、公式(3)获得封装材料的最小厚度值d1，取d>d1可使z2与z1、z3光斑区域分离。

15、另一方面本发明为了解决封装条件下介电函数精度差的问题，提供了一种利用椭圆偏振光谱测量金属介电函数的方法，该方法对待测材料进行封装，然后置于椭偏仪探测器下测量金属的光谱信号，根据所述光谱信号获取所述金属的介电函数；封装厚度d具有最小值d1和最大值d2，其中d1的获取方式为：

16、(1)获取一级反射光在探测器上的光斑位置z1与封装厚度d之间的关系式一，所述一级反射光为入射光经封装层表面反射后的光线；

17、(2)获取二级反射光在探测器上的光斑位置z2与封装厚度d之间的关系式二，所述二级反射光为入射光经封装材料金属界面反射一次的光线；

18、(3)获取三级反射光在探测器上的光斑位置z3与封装厚度d之间的关系式三，所述三级反射光为入射光经封装材料-金属界面反射两次的光线；

19、通过关系式一、关系式二、关系式三获取z2与z1、z3光斑区域分离的最小d值，所述最小d值为封装材料的最小厚度值d1。

20、d2的获取方式为：根据公式(4)获得封装厚度d对应的相对误差η，

21、

22、式中：εm为测得的介电函数，为εm相对于α的偏导数，α是中心光束入射角，θ′为入射光线偏转角，假如椭偏探测器测量z0处的光信号，则偏转角度θ′通过含d的方程z2(θ)＝z0解出。

23、即为：θ′是2nd反射光在z0位置处的入射光束相对中心光束偏离角；

24、根据相对误差η的最大允许值获取封装厚度d的最大值d2，

25、封装材料的封装厚度d满足d1<d<d2。

26、作为一种优选，封装材料为二氧化硅。

27、本发明所产生的有益效果包括：本发明中的封装方法可使探测器接收到的二级反射光与一级反射光、三级反射光分离，确保光谱接收的准确性，提升检测精度；

28、本发明中的金属介电函数的测量方法可使金属在封装条件下直接置于椭圆偏振光谱探测器上进行光谱检测，通过对封装厚度的调控实现精准测量。

技术特征：

1.一种椭圆偏振光谱下的封装方法，其特征在于：采用封装材料对待测材料进行封装，封装层厚度通过以下方式获取：

2.根据权利要求1所述的椭圆偏振光谱下的封装方法，其特征在于：

3.一种利用椭圆偏振光谱测量金属介电函数的方法，其特征在于：在封装条件下对待测金属进行封装，然后置于探测器下测量金属的光谱信号，根据所述光谱信号获取所述金属的介电函数；

4.根据权利要求3所述的利用椭圆偏振光谱测量金属介电函数的方法，其特征在于：所述关系式一为：

5.根据权利要求3所述的利用椭圆偏振光谱测量金属介电函数的方法，其特征在于：根据公式(4)获得封装厚度d对应的相对误差η，

6.根据权利要求3所述的利用椭圆偏振光谱测量金属介电函数的方法，其特征在于：所述封装材料为二氧化硅。

7.根据权利要求3所述的利用椭圆偏振光谱测量金属介电函数的方法，其特征在于：探测器的入射光斑照射在洁净的封装材料-金属界面上。

8.根据权利要求4所述的利用椭圆偏振光谱测量金属介电函数的方法，其特征在于：根据公式(1)、公式(2)、公式(3)绘制一级反射光、二级反射光与三级反射光的光斑位置与封装厚度的关系图，根据所述关系图获得二级反射光与一级反射光、三级反射光分离的最小值d值，所述最小d值为最小封装厚度d1。

9.根据权利要求3或4所述的利用椭圆偏振光谱测量金属介电函数的方法，其特征在于：绘制不同封装厚度下相对误差η随入射光波长的变化曲线图，根据所述变化曲线图得到误差允许范围的封装厚度d。

10.根据权利要求3所述的利用椭圆偏振光谱测量金属介电函数的方法，其特征在于：封装厚度d在d>d1范围内取值，并代入公式(4)计算封装厚度d对应的相对误差η，核查相对误差η是否在允许误差范围内，若在，则依据该封装厚度封装，若不在，则缩小封装厚度的取值，再次计算对应的相对误差η，直至误差满足要求。

技术总结
本发明涉及一种椭圆偏振光谱下的封装方法及金属介电函数测量方法，采用封装材料对待测材料进行封装，封装层厚度关系式一、关系式二、关系式三获取z<subgt;2</subgt;与z<subgt;1</subgt;、z<subgt;3</subgt;光斑区域分离的最小d值，根据最小d值进行封装可增强探测器检测数据的准确性，然后结合误差允许范围获得最终封装厚度，提升金属介电函数的精确度。

技术研发人员：周林,杨程文,陈舒颖
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12