專利名稱:裝有消色差λ/4波片的光譜橢圓偏振儀的制作方法
裝有消色差波片的光譜橢圓偏振儀，它是偏振光計(jì)量?jī)x器，用來測(cè)量多種波長(zhǎng)下薄膜的折射率n(λ)，膜厚d或吸收系數(shù)k(λ)。
裝有消色差λ／4波片的光譜橢圓偏振儀的構(gòu)造見附圖1(1)－激光器、(2)－起偏器、(3)－消色差λ／4波片、(4)－裝被測(cè)薄膜樣品的可調(diào)平臺(tái)、(5)－檢偏器、(6)－光電接收器。裝有消色差λ／4波片的光譜橢圓偏振儀與其它橢圓偏振儀、光譜橢圓偏振儀所不同的特征就是裝有做為消色差λ／4波片的菲涅爾棱鏡(斜方棱鏡)，菲涅爾棱鏡裝在起偏器和供裝被測(cè)薄膜樣品的可調(diào)平臺(tái)之間，光束入射的棱鏡表面與入射的光束相垂直，它的位相延遲量在光譜范圍內(nèi)的名義值是90°。裝有消色差λ／4波片的光譜橢圓偏振儀的其它組成部分，與使用消光法原理的橢圓偏振儀的組成部分基本相同。
下面介紹設(shè)計(jì)、制造、使用做為消色差λ／4波片的菲涅爾棱鏡所遇到的關(guān)鍵技術(shù)問題。
根據(jù)全反射條件下菲涅爾公式，光經(jīng)過棱鏡兩次全反射(見附圖2)，S分量相對(duì)于P分量位相延遲量為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)式化簡(jiǎn)為φ=4tg-1[cosθiSin2θi-n212/Sin2θi]---(2)]]>(1)、(2)式中θi——為每次反射的入射角，也是菲涅爾棱鏡銳角；n21——空氣相對(duì)于光學(xué)材料的折射率，并有n21＝ 1/(n) (3)這里n是透明的各向同性光學(xué)材料的折射率。
用菲涅爾棱鏡對(duì)某一種波長(zhǎng)可以構(gòu)成準(zhǔn)確的λ／4波片。由于這種λ／4波長(zhǎng)片對(duì)入射到棱鏡表面的光要求是正入射的平行光，當(dāng)入射角角帶寬增大時(shí)，入射角偏離θi角，引入了位相延遲誤差，因而限制了它的應(yīng)用。
然而橢圓偏振儀要求射到被測(cè)薄膜上的光束是一束平行光，角帶寬大于0.1°就會(huì)使被測(cè)量(n、d)或(nk)測(cè)量精度超差。這樣就造成了在橢圓偏振儀中使用菲涅爾棱鏡作為λ／4波片的良好前提。更可貴的是只要恰當(dāng)?shù)剡x擇菲涅爾棱鏡的銳角可以取得消色差的優(yōu)秀品質(zhì)，這一點(diǎn)常為世人所忽視。
經(jīng)過專利檢索以及調(diào)查國(guó)內(nèi)外橢圓偏振儀和光譜橢圓偏振儀，均沒有發(fā)現(xiàn)在橢圓偏振儀和光譜橢圓偏振儀中采用菲涅爾棱鏡作為消色差λ／4波片。
下面有兩個(gè)實(shí)施例，說明消色差的光譜范圍與精度。
表 一K9θi＝55.6°λ(毫微米) n φ404.66 1.52982 90.71°435.84 1.52627 90.39°486.13 1.52196 89.99°546.07 1.51829 89.65°587.56 1.51637 89.47°589.29 1.51630 89.47°656.27 1.51390 89.24°706.52 1.51248 89.10°766.5 1.51104 89°結(jié)論在整個(gè)可見光波段范圍內(nèi)φ＝90°±1°。
表 二LaK12 θi＝60.87°λ(毫微米) n φ300.00 1.74222 91.16°365.01 1.72722 90.60°404.66 1.71771 90.25°435.84 1.71214 90.03°479.99 1.70612 89.80°486.13 1.70541 89.78°546.07 1.69976 89.55°587.56 1.69680 89.44°589.29 1.69669 89.43°643.85 1.69362 89.30°656.27 1.69301 89.29°706.52 1.69085 89.20°852.11 1.68623 89.01°1013.98 1.68259 88.86°結(jié)論光譜范圍300毫微米——1000毫微米φ＝90°＋1.16°－1.14°
以K9為例，選擇可見光波段中近紫端的波長(zhǎng)λ＝486.13毫微米構(gòu)成準(zhǔn)確的90°位相延遲，就可以在整個(gè)可見光波段內(nèi)使誤差均在±1°以內(nèi)，這是由于折射率偏紫端變化速率大。
但是在設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)注意對(duì)于λ＝486.13毫微米(n＝1.52196)，φ(θ)曲線與φ＝90°直線有兩個(gè)交點(diǎn)(見附圖3)，即有兩解θ1＝47.4°，θ2＝55.6°，在設(shè)計(jì)中應(yīng)取θ2值，有利減少由色散引起的位相延遲誤差。
φ′(n)=dφdn=8·n213·Cosθi(Sin2θi-n212)12(1-n212ctg2θi)(4)]]>Δφ＝φ′(n)Δn當(dāng)θi增大時(shí)，(4)式右端分子減小，分母增大，使誤差Δφ減小，這就是說應(yīng)取θi較大的值。
從(4)式可知Δφ隨著色散Δn減小而減??；在相同Δn值下，n越大，即n21越小，則Δφ越小。所以在條件許可時(shí)，本發(fā)明提出應(yīng)采用高折射率、低色散的光學(xué)材料。LaK12是一例，它是高折射率、低色散的光學(xué)玻璃，因此它可以在較大光譜范圍內(nèi)消色差(見表二)。
不是任何各向同性，透明的光學(xué)材料均可以設(shè)計(jì)出消色差λ／4波片，本發(fā)明對(duì)于具體設(shè)計(jì)提出以下注意點(diǎn)從(2)對(duì)θi求導(dǎo)得
φ′(θ)=dφdθ=-4SinθiSin2θi-n212[1-]]>n212(n212+1)Sin2θi-n212---(5)]]>令φ′(θ)＝0可解得Sinθi=2n212/(1+n212)]]>時(shí)φ有極大值。
代入(2)得φmax=4tg-1(1-n2122n21)]]>令φmax＝90°，解得n21＝0.668178，n＝1.496606。
這就是說，只有n≥1.496606才有可能設(shè)計(jì)消色差λ／4波片而當(dāng)n＜1.496606，φ(θ)曲線與φ＝90°直線無交點(diǎn)(見附圖3)，就無法設(shè)計(jì)出消色差λ／4波片。
能否從使用上、工藝上保證設(shè)計(jì)精度，關(guān)系到本發(fā)明能否實(shí)施，有無實(shí)際使用價(jià)值，特做如下說明以表一、表二為例說明激光的發(fā)散角會(huì)造成多大的位相延遲誤差。
將K9一組數(shù)值θi＝55.6°，n＝1.52196代入(5)式得Δφ1＝4.61Δθi將LaK12一組數(shù)據(jù)θi＝60.87，n＝1.71214代入(5)式得Δφ2＝2.69Δθi使用自準(zhǔn)直法將激光束垂直于棱鏡表面。取激光束發(fā)散角為3毫弧度(這是很易做到的)，在這兩種情況下造成誤差
Δφ1＝±0.39° Δφ2＝±0.23°應(yīng)認(rèn)為在許可范圍內(nèi)。
加工菲涅爾棱鏡，特征角的經(jīng)濟(jì)公差±1′，在這兩種情況下造成的誤差Δφ1＝±0.07° Δφ2＝±0.04°應(yīng)認(rèn)為可忽略不計(jì)。
由于儀器適用寬光譜范圍，建議(1)采用可輸出多種波長(zhǎng)的激光器或激光器并行組合；(2)采用有較高消光比而又有很好的光譜透過范圍的格蘭棱鏡做為起偏器和檢偏器。
權(quán)利要求
1.裝有消色差λ/4波片的光譜橢圓偏振儀，其特征在于裝有作為消色差λ/4波片的菲涅爾棱鏡(Fresnel Prism，斜方棱鏡)，菲涅爾棱鏡是裝在起偏器和供裝被測(cè)薄膜樣品的可調(diào)平臺(tái)之間，光束入射的棱鏡表面與入射的光束相垂直，它的位相延遲量在光譜范圍內(nèi)的名義值是90°。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的光譜橢圓偏振儀，其特征在于裝有作為消色差λ／4波片的菲涅爾棱鏡，當(dāng)選用制造菲涅爾棱鏡的光學(xué)材料的折射率大于或等于1.4966時(shí)，在使得對(duì)應(yīng)此折射率構(gòu)成準(zhǔn)確的90°位相延遲的菲涅爾棱鏡的銳角有兩個(gè)值的情況下，菲涅爾棱鏡的銳角特征在于選取數(shù)值較大者。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的光譜橢圓偏振儀，其特征在于裝有作為消色差λ／4波片的菲涅爾棱鏡，當(dāng)保證在可見光波段(400毫微米－760毫微米)范圍內(nèi)位相延遲是90°±1°時(shí)，菲涅爾棱鏡是用K0光學(xué)玻璃制造的，菲涅爾棱鏡的銳角是55.6°。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的光譜橢圓儀，其特征在于裝有作為消色差λ／4波片的菲涅爾棱鏡，當(dāng)保證在較之可見光波段更寬的范圍內(nèi)消色差，菲涅爾棱鏡的特征是由高折射率、低色散的光學(xué)材料制成的。
專利摘要
裝有消色差波片的光譜橢圓偏振儀是偏振光計(jì)量?jī)x器，用來測(cè)量多種波長(zhǎng)下薄膜的折射率n(λ)。膜厚d或吸收系數(shù)k(λ)。裝有消色差λ/4波片的光譜橢圓偏振儀與其它橢圓偏振儀、光譜橢圓偏振儀所不同的特征是裝有做為消色差λ/4波片的菲涅爾棱鏡(斜方棱鏡)，菲涅爾棱鏡是裝在起偏器和供裝被測(cè)薄膜樣品的可調(diào)平臺(tái)之間，光束入射的棱鏡表面與入射的光束相垂直，它的位相延遲量在光譜范圍內(nèi)的名義值是90℃。
文檔編號(hào)G01J4/00GK85200356SQ85200356
公開日1985年9月10日 申請(qǐng)日期1985年4月1日
發(fā)明者哈流柱 申請(qǐng)人:北京工業(yè)學(xué)院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan