装有消色差λ/4波片的光谱椭圆偏振仪的制作方法

专利名称:装有消色差λ/4波片的光谱椭圆偏振仪的制作方法
装有消色差波片的光谱椭圆偏振仪，它是偏振光计量仪器，用来测量多种波长下薄膜的折射率n(λ)，膜厚d或吸收系数k(λ)。
装有消色差λ／4波片的光谱椭圆偏振仪的构造见附图1(1)－激光器、(2)－起偏器、(3)－消色差λ／4波片、(4)－装被测薄膜样品的可调平台、(5)－检偏器、(6)－光电接收器。装有消色差λ／4波片的光谱椭圆偏振仪与其它椭圆偏振仪、光谱椭圆偏振仪所不同的特征就是装有做为消色差λ／4波片的菲涅尔棱镜(斜方棱镜)，菲涅尔棱镜装在起偏器和供装被测薄膜样品的可调平台之间，光束入射的棱镜表面与入射的光束相垂直，它的位相延迟量在光谱范围内的名义值是90°。装有消色差λ／4波片的光谱椭圆偏振仪的其它组成部分，与使用消光法原理的椭圆偏振仪的组成部分基本相同。
下面介绍设计、制造、使用做为消色差λ／4波片的菲涅尔棱镜所遇到的关键技术问题。
根据全反射条件下菲涅尔公式，光经过棱镜两次全反射(见附图2)，S分量相对于P分量位相延迟量为φ=4tg-1[(sin2θi-n212)12n212Cosθi]-]]>4tg-1[(sin2θi-n212)12Cosθi]---(1)]]>注意到tg〔tg－1A－tg－1B〕＝ (A－B)/(1＋A·B)
(1)式化简为φ=4tg-1[cosθiSin2θi-n212/Sin2θi]---(2)]]>(1)、(2)式中θi——为每次反射的入射角，也是菲涅尔棱镜锐角；n21——空气相对于光学材料的折射率，并有n21＝ 1/(n) (3)这里n是透明的各向同性光学材料的折射率。
用菲涅尔棱镜对某一种波长可以构成准确的λ／4波片。由于这种λ／4波长片对入射到棱镜表面的光要求是正入射的平行光，当入射角角带宽增大时，入射角偏离θi角，引入了位相延迟误差，因而限制了它的应用。
然而椭圆偏振仪要求射到被测薄膜上的光束是一束平行光，角带宽大于0.1°就会使被测量(n、d)或(nk)测量精度超差。这样就造成了在椭圆偏振仪中使用菲涅尔棱镜作为λ／4波片的良好前提。更可贵的是只要恰当地选择菲涅尔棱镜的锐角可以取得消色差的优秀品质，这一点常为世人所忽视。
经过专利检索以及调查国内外椭圆偏振仪和光谱椭圆偏振仪，均没有发现在椭圆偏振仪和光谱椭圆偏振仪中采用菲涅尔棱镜作为消色差λ／4波片。
下面有两个实施例，说明消色差的光谱范围与精度。
表一K9θi＝55.6°λ(毫微米)nφ404.661.5298290.71°435.841.5262790.39°486.131.5219689.99°546.071.5182989.65°587.561.5163789.47°589.291.5163089.47°656.271.5139089.24°706.521.5124889.10°766.51.5110489°结论在整个可见光波段范围内φ＝90°±1°。
表二LaK12 θi＝60.87°λ(毫微米)nφ300.001.7422291.16°365.011.7272290.60°404.661.7177190.25°435.841.7121490.03°479.991.7061289.80°486.131.7054189.78°546.071.6997689.55°587.561.6968089.44°589.291.6966989.43°643.851.6936289.30°656.271.6930189.29°706.521.6908589.20°852.111.6862389.01°1013.981.6825988.86°结论光谱范围300毫微米——1000毫微米φ＝90°＋1.16°－1.14°
以K9为例，选择可见光波段中近紫端的波长λ＝486.13毫微米构成准确的90°位相延迟，就可以在整个可见光波段内使误差均在±1°以内，这是由于折射率偏紫端变化速率大。
但是在设计计算中应注意对于λ＝486.13毫微米(n＝1.52196)，φ(θ)曲线与φ＝90°直线有两个交点(见附图3)，即有两解θ1＝47.4°，θ2＝55.6°，在设计中应取θ2值，有利减少由色散引起的位相延迟误差。
φ′(n)=dφdn=8·n213·Cosθi(Sin2θi-n212)12(1-n212ctg2θi)(4)]]>Δφ＝φ′(n)Δn当θi增大时，(4)式右端分子减小，分母增大，使误差Δφ减小，这就是说应取θi较大的值。
从(4)式可知Δφ随着色散Δn减小而减小；在相同Δn值下，n越大，即n21越小，则Δφ越小。所以在条件许可时，本发明提出应采用高折射率、低色散的光学材料。LaK12是一例，它是高折射率、低色散的光学玻璃，因此它可以在较大光谱范围内消色差(见表二)。
不是任何各向同性，透明的光学材料均可以设计出消色差λ／4波片，本发明对于具体设计提出以下注意点从(2)对θi求导得
φ′(θ)=dφdθ=-4SinθiSin2θi-n212[1-]]>n212(n212+1)Sin2θi-n212---(5)]]>令φ′(θ)＝0可解得Sinθi=2n212/(1+n212)]]>时φ有极大值。
代入(2)得φmax=4tg-1(1-n2122n21)]]>令φmax＝90°，解得n21＝0.668178，n＝1.496606。
这就是说，只有n≥1.496606才有可能设计消色差λ／4波片而当n＜1.496606，φ(θ)曲线与φ＝90°直线无交点(见附图3)，就无法设计出消色差λ／4波片。
能否从使用上、工艺上保证设计精度，关系到本发明能否实施，有无实际使用价值，特做如下说明以表一、表二为例说明激光的发散角会造成多大的位相延迟误差。
将K9一组数值θi＝55.6°，n＝1.52196代入(5)式得Δφ1＝4.61Δθi将LaK12一组数据θi＝60.87，n＝1.71214代入(5)式得Δφ2＝2.69Δθi使用自准直法将激光束垂直于棱镜表面。取激光束发散角为3毫弧度(这是很易做到的)，在这两种情况下造成误差
Δφ1＝±0.39° Δφ2＝±0.23°应认为在许可范围内。
加工菲涅尔棱镜，特征角的经济公差±1′，在这两种情况下造成的误差Δφ1＝±0.07° Δφ2＝±0.04°应认为可忽略不计。
由于仪器适用宽光谱范围，建议(1)采用可输出多种波长的激光器或激光器并行组合；(2)采用有较高消光比而又有很好的光谱透过范围的格兰棱镜做为起偏器和检偏器。
权利要求
1.装有消色差λ/4波片的光谱椭圆偏振仪，其特征在于装有作为消色差λ/4波片的菲涅尔棱镜(Fresnel Prism，斜方棱镜)，菲涅尔棱镜是装在起偏器和供装被测薄膜样品的可调平台之间，光束入射的棱镜表面与入射的光束相垂直，它的位相延迟量在光谱范围内的名义值是90°。
2.根据权利要求
1所述的光谱椭圆偏振仪，其特征在于装有作为消色差λ／4波片的菲涅尔棱镜，当选用制造菲涅尔棱镜的光学材料的折射率大于或等于1.4966时，在使得对应此折射率构成准确的90°位相延迟的菲涅尔棱镜的锐角有两个值的情况下，菲涅尔棱镜的锐角特征在于选取数值较大者。
3.根据权利要求
1所述的光谱椭圆偏振仪，其特征在于装有作为消色差λ／4波片的菲涅尔棱镜，当保证在可见光波段(400毫微米－760毫微米)范围内位相延迟是90°±1°时，菲涅尔棱镜是用K0光学玻璃制造的，菲涅尔棱镜的锐角是55.6°。
4.根据权利要求
1所述的光谱椭圆仪，其特征在于装有作为消色差λ／4波片的菲涅尔棱镜，当保证在较之可见光波段更宽的范围内消色差，菲涅尔棱镜的特征是由高折射率、低色散的光学材料制成的。
专利摘要
装有消色差波片的光谱椭圆偏振仪是偏振光计量仪器，用来测量多种波长下薄膜的折射率n(λ)。膜厚d或吸收系数k(λ)。装有消色差λ/4波片的光谱椭圆偏振仪与其它椭圆偏振仪、光谱椭圆偏振仪所不同的特征是装有做为消色差λ/4波片的菲涅尔棱镜(斜方棱镜)，菲涅尔棱镜是装在起偏器和供装被测薄膜样品的可调平台之间，光束入射的棱镜表面与入射的光束相垂直，它的位相延迟量在光谱范围内的名义值是90℃。
文档编号G01J4/00GK85200356SQ85200356
公开日1985年9月10日 申请日期1985年4月1日
发明者哈流柱 申请人:北京工业学院