一種彈光調(diào)制和電光調(diào)制級聯(lián)的相位調(diào)制型橢偏儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及橢偏參數(shù)分析的技術(shù)領(lǐng)域，更具體而言，涉及一種彈光調(diào)制和電光調(diào) 制級聯(lián)的相位調(diào)制型橢偏儀，實現(xiàn)了一種高精度、高靈敏度、高重復(fù)性、高速率和無需機械 調(diào)節(jié)的橢偏測量。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，薄膜光學(xué)在信息技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)和集成電路等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。橢偏 儀則是研究薄膜光學(xué)特性的重要工具之一，橢偏儀通過測量Ψ和A兩個橢偏參量，能夠同 時求解得到薄膜厚度、折射率和消光系數(shù)等光學(xué)參數(shù)。橢偏儀具有測量精度高、非接觸和非 破壞的測量優(yōu)勢。
[0003] 自從1887年P(guān)aulDrude第一次提出并運用橢偏理論來分析金屬膜層厚度和光學(xué) 參數(shù)以來，橢偏技術(shù)獲得了長足發(fā)展，數(shù)以千計的相關(guān)研究和工業(yè)應(yīng)用被報道?，F(xiàn)階段，橢 偏儀能夠大致分為旋轉(zhuǎn)偏振器件型和相位調(diào)制型兩類。旋轉(zhuǎn)偏振器件型橢偏儀通常旋轉(zhuǎn)檢 測光路中的起偏器、檢偏器或者補償器。旋轉(zhuǎn)起偏器或檢偏器型橢偏儀，適用于寬光譜光源 測量、橢偏成像系統(tǒng)，數(shù)據(jù)反演簡單，能夠應(yīng)用對稱測量的方法消除測量誤差，但當(dāng)A達(dá)到 〇或31時，測量不準(zhǔn)確；旋轉(zhuǎn)補償器型橢偏儀，能夠準(zhǔn)確測量Ψ和△，但對于寬光譜光源 測量定標(biāo)復(fù)雜。此外，旋轉(zhuǎn)偏振器件型橢偏儀測量過程需旋轉(zhuǎn)偏振器件，測量光斑會發(fā)生漂 移，測量重復(fù)性差，并且測量速率一般較低[見文獻(xiàn)：EnricGarcia-Caurel，AntonelloDe Martino.ApplicationofSpectroscopicEllipsometryandMuellerElliposmetryto OpticalCharacterization[J],AppliedSpectroscopy, 2013, 67(1): 1-21]。相位調(diào)制型 橢偏儀通常使用彈光調(diào)制器為核心器件，彈光調(diào)制器具有光譜范圍寬、調(diào)制頻率高和調(diào)制 幅值大等優(yōu)勢，結(jié)合數(shù)字鎖相信號處理技術(shù)，能夠設(shè)計出高精度和高靈敏度的橢偏儀，并且 該類型橢偏儀對非均勻和部分偏振樣品的Mueller矩陣分析存在潛在優(yōu)勢。但單彈光相位 調(diào)制型橢偏儀測量過程需調(diào)整儀器一次，兩次測量才能夠完全測量橢偏參數(shù)，這無疑降低 了測量的精度和測量速率；雙彈光相位調(diào)制型橢偏儀，雖然一次測量便可得到橢偏參量，但 對彈光調(diào)制器要求嚴(yán)格、數(shù)據(jù)處理過程復(fù)雜、成本昂貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述缺陷，本發(fā)明基于電光調(diào)制和彈光調(diào)制級聯(lián)的組合偏振調(diào)制技術(shù)和 數(shù)字鎖相信號處理技術(shù)，提供一種高速率、高精度、高靈敏度、高重復(fù)性、無機械調(diào)節(jié)元件、 成本相對較低，并且測量過程操作方便可控的橢偏參量測量裝置及方法。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：
[0006] 一種彈光調(diào)制和電光調(diào)制級聯(lián)的相位調(diào)制型橢偏儀，包括檢測光源、縮束透鏡組、 起偏器、待測樣品、電光調(diào)制器、彈光調(diào)制器、檢偏器、光電探測器、前置放大器、信號采集和 數(shù)字鎖相模塊和計算機PC;所述檢測光源、縮束透鏡組和起偏器構(gòu)成入射臂，所述電光調(diào) 制器、彈光調(diào)制器、檢偏器和光電探測器構(gòu)成出射臂，所述入射臂可以選擇調(diào)節(jié)入射光入射 待測樣品的入射角，出射臂對應(yīng)調(diào)節(jié)；所述信號采集和數(shù)字鎖相模塊包括FPGA和AD采集單 元，所述光電探測器經(jīng)前置放大器與AD采集單元連接；所述電光調(diào)制器包括電光晶體和直 流高壓驅(qū)動電路，所述電光晶體通過直流高壓驅(qū)動電路與FPGA連接；所述彈光調(diào)制器包括 彈光晶體和LC諧振高壓驅(qū)動電路，所述彈光晶體通過LC諧振高壓驅(qū)動電路與FPGA連接。
[0007] 所述檢測光源可以根據(jù)測量樣品的薄膜厚度，選用不同波長的激光光源，或者選 用光譜范圍較寬的氙燈光源，所述待測樣品（4)的薄膜厚度越厚則選用的波長越長。
[0008] 所述檢測光源經(jīng)過縮束透鏡組后的檢測光斑可以縮束為直徑50μm~100μm的 微光斑。
[0009] 選擇與所述待測樣品表面平行的方向為X軸方向，選擇檢測光傳播方向的為z軸 方向，垂直于X軸和Z軸的為y軸方向，X軸、y軸和z軸建立實驗笛卡爾直角坐標(biāo)系，所述 起偏器和檢偏器的偏振軸方向相對于X軸分別取45°和0°，所述的電光調(diào)制器的調(diào)制快 軸方向相對于X軸取22.5°，所述彈光調(diào)制器的調(diào)制快軸方向相對于X軸取45°。
[0010] 所述電光調(diào)制器的電光晶體為利用鈮酸鋰橫向電光效應(yīng)制成的電光調(diào)制器，沿晶 體光軸方向Z通光，沿晶體坐標(biāo)Y方向施加電場，所述電光調(diào)制器的直流高壓驅(qū)動電路輸出 電壓0~15kV可調(diào)，并設(shè)有觸發(fā)工作輸入接口。
[0011] 所述彈光調(diào)制器選用通光晶體為各向同性熔融石英的單壓電石英驅(qū)動長棒狀彈 光調(diào)制器，諧振頻率為50kHz。
[0012] 所述光電探測器轉(zhuǎn)化后的信號，其中交流部分經(jīng)前置放大器放大后由AD采集單 元采集并傳入FPGA實現(xiàn)數(shù)字鎖相；所述彈光調(diào)制器的LC諧振高壓驅(qū)動電路的驅(qū)動信號源 由FPGA提供，使得鎖相時的參考信號與彈光調(diào)制器的調(diào)制信號同頻同源。
[0013] 所述FPGA設(shè)有周期為彈光調(diào)制器調(diào)制周期倍數(shù)可調(diào)的TTL信號輸出口，并與電光 調(diào)制器的驅(qū)動源觸發(fā)口相連，TTL的頻率選擇控制系統(tǒng)的測量速率；所述FPGA與計算機PC 連接通信，F(xiàn)PGA將完成的數(shù)字鎖相數(shù)據(jù)傳入計算機PC，計算機PC控制FPGA的工作和調(diào)節(jié) TTL信號的周期。
[0014] 所述電光調(diào)制器的直流高壓驅(qū)動電路在TTL觸發(fā)信號的低電平和高電平時分別 輸出V= 0和半波電壓V=νπ的兩種情況電場，解調(diào)調(diào)制信號便可求解出全部待測樣品的 橢偏參數(shù)。
[0015] 所述計算機PC中編寫Labview程序建立與FPGA的通信，完成待測樣品的數(shù)據(jù)處 理、存儲，并作DA輸出顯示，實現(xiàn)對整個測量系統(tǒng)工作狀態(tài)的控制。
[0016] 與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明所具有的有益效果為：
[0017] 1)本發(fā)明采用彈光調(diào)制器和電光調(diào)制器級聯(lián)，設(shè)計了彈光調(diào)制和電光調(diào)制組合相 位調(diào)制型橢偏儀，探測過程無機械調(diào)節(jié)元件，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，能夠?qū)崿F(xiàn)實時快速的橢偏參量 測量；
[0018] 2)本發(fā)明采用數(shù)字鎖相放大技術(shù)來進(jìn)行信號處理，信號采集單元和數(shù)字鎖相單元 均由FPGA控制完成，并且彈光調(diào)制器的LC諧振高壓驅(qū)動電路的信號源由FPGA產(chǎn)生，參考 信號與調(diào)制基頻信號同頻，同源，保證了倍頻項數(shù)據(jù)準(zhǔn)確提??；
[0019] 3)本發(fā)明計算機與FPGA實現(xiàn)通信，由計算機控制FPGA輸出TTL信號觸發(fā)電光調(diào) 制器工作，并由計算機完成鎖相數(shù)據(jù)處理，最終求解得橢偏參量Ψ和A進(jìn)行存儲和顯示；
[0020] 4)本發(fā)明的檢測光源可以根據(jù)測量薄膜的特性，選配檢測光源，并選擇適合的入 射角，保證了測量的精確度性；
[0021] 5)本發(fā)明測量過程無機械調(diào)節(jié)元件，高精度全范圍測量Ψ0_90° )和 △ (0-360° )，測量結(jié)果重復(fù)度高，測量速率快，測量系統(tǒng)有利于工業(yè)自動化集成。
【附圖說明】
[0022] 下面通過附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0023] 圖1為本發(fā)明的連接示意圖。
[0024] 圖中：1為檢測光源、2為縮束透鏡組、3為起偏器、4為待測樣品、5為電光調(diào)制器、 6為彈光調(diào)制器、7為檢偏器、8為光電探測器、9為前置放大器、10為信號采集和數(shù)字鎖相模 塊、11為計算機PC。
【具體實施方式】
[0025] 下面實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0026] 如圖1所示，一種彈光調(diào)制和電光調(diào)制級聯(lián)的相位調(diào)制型橢偏儀，包括檢測光源 1、縮束透鏡組2、起偏器3、待測樣品4、電光調(diào)制器5、彈光調(diào)制器6、檢偏器7、光電探測器 8、前置放大器9、信號采集和數(shù)字鎖相模塊10和計算機PC11。
[0027] 首先，將起偏器3和檢偏器7的偏振軸調(diào)節(jié)與X軸分別成45°和0°，電光調(diào)制器 5的調(diào)制快軸相對X軸成22. 5°，彈光調(diào)制器6的調(diào)制快軸相對X軸成45°。上述系統(tǒng)運 用Stokes參量和Mueller矩陣分析較為方便。通過起偏器3后的入射光Stokes參量為：
[0029] 上式中，I。為檢測激光通過起偏器后的總強度。測量樣品的Mueller矩陣為：
[0031] 其中，Ψ為線偏振光經(jīng)樣品反射后橢圓偏振光的橢偏角，大小介于0°到90°;A 為線偏振光經(jīng)樣品反射后橢圓偏振光的s光和p光之間的相位差，大小介于0°到360°。
[0032] 彈光調(diào)制器和檢偏器的Mueller矩陣可分別表示為：

[0035] 式中，δΡΕΜ=δpin(2πft)，δ。為彈光調(diào)制器的相位調(diào)