[发明专利]用于椭偏测量系统中光路通断自动控制的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学测量领域，尤其是一种用于椭偏测量系统中光路通断自动控制的装置和方法。

背景技术

椭偏测量技术是表征纳米薄膜的重要手段之一，它利用探测光波经表面反射时偏振态的变化来探测样品的信息(如，折射率n、消光系数k、纳米薄膜的厚度、表面粗糙度、材料电子振动信息等)。该技术的优点在于：(1)测量时对样品无扰动、无破坏性，因此可进行实时测量、离体乃至在体测量；(2)灵敏度可达到原子层量级的分析水平，因此可对纳米薄膜进行高灵敏度的探测；(3)对样品材料几乎无限制，可适合于绝缘体、导体、半导体；(4)对环境要求低，无需真空等特殊条件，在普通实验环境中就可进行。基于其优点，该技术已广泛应用于微电子工业、表面材料和生物医学等领域。

利用椭偏测量技术获得样品的参数(如，折射率、消光系数、薄膜厚度等)的一般步骤是：(1)利用椭偏测量系统得到样品的椭偏角(ψ和Δ)；(2)对样品进行模型化，即建立椭偏角与样品参数的关系；(3)利用数据拟合的方法获得样品的参数。因此，在利用椭偏测量技术对样品进行分析时，最基本的任务是利用椭偏测量系统获得样品的椭偏角(ψ和Δ)。

椭偏测量系统最基本的结构为：光源-起偏器-样品-检偏器-光电传感器。在此基础上，根据不同的应用需求，发展了多种不同的结构，如：光源-起偏器-补偿器-样品-检偏器-光电传感器、光源-起偏器-样品-补偿器-检偏器-光电传感器等。在椭偏测量系统中，光束的传播一般是：光源发出的探测光波经起偏器、补偿器等偏振器件后成为偏振态已知的偏振光，然后入射到样品表面上，样品对入射光波的幅值和相位进行调制，从而使得反射光波的偏振态发生变化，再经过补偿器、检偏器等偏振器件后探测光波进入光电传感器，从而获得探测光波的强度。可以看出，椭偏测量系统的结构中光源和起偏器是必备的。

为了定量测量椭偏参数(ψ和Δ)，对应于系统的结构发展了不同的采样方法，包括零椭偏法、旋转起偏器法、旋转检偏器法、旋转补偿器法，以及相位调制法等。

当利用椭偏测量系统对样品进行测量时，很多情况下会要求把探测光波在入射到样品之前切断，如：(1)测量完成后，为了避免探测光波长时间照射样品导致样品受到破坏(如，导致生物样品失水)；(2)在放置或调整样品时，为了避免操作人员的皮肤或眼睛受到探测光波的照射而灼烧；(3)在进行实时测量时，为了防止反应液长时间受到探测光波照射而导致温度升高，所以要求在每次采样点之间切断照射到样品上的探测光波。因此，在实际的椭偏测量系统中，对入射到样品上的探测光波进行通断控制是一个重要的基本问题。

解决上述问题的现有方法有：(1)直接切断光源的电源供给：这种方法非常简单，但由于再次打开时光源需要经过一段时间(通常为数分钟)预热才能达到光能量的稳定输出，而且频繁的开启会降低光源的有效使用寿命，因此这种方法应用不多；(2)在光源和样品之间插入一个可控的机械遮光光阑：其原理是通过对光阑的机械或电子控制来达到对探测光波的遮挡或通过，这种方法应用较普遍，但其不足在于增加了测量装置中器件的数目、控制装置的数目、电源的能量供给、以及在动作时产生的较高强度的瞬间电磁干扰，同时使得系统的重量和体积变大；(3)加入其它的辅助光学衰减器件(如，中性滤光片等)：其不足之处与(2)类似。由此可见，在椭偏测量系统中，现有的对入射到样品上的探测光波进行通断控制的方法难以同时满足反应快速、结构简单、可靠性高等要求的应用场合。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种快速、无需额外附加器件、结构简单、稳定可靠的用于椭偏测量系统中光路通断自动控制的装置和方法。

为实现上述目的，本发明用于椭偏测量系统中光路通断自动控制的装置，包括用于产生具有偏振态的探测光波、并将其入射到样品上的起偏臂，及用于对经样品反射后光波进行偏振态再调制和光能量检测的检偏臂，起偏臂包括线偏振光源和线性起偏器，其中线性起偏器固定在起偏器旋转台的旋转轴上，该旋转轴的轴线与起偏臂的光轴相重合，控制旋转轴转动来带动线性起偏器旋转，以改变线性起偏器方位角与线偏振光源产生的线偏振光的方位角的差角θ。

进一步，所述检偏臂包括线性检偏器和光电传感器，其中线性检偏器的表面垂直于所述检偏臂的光轴，该线性检偏器用于对所述样品的反射光偏振态进行调制；光电传感器位于线性检偏器之后，用于接收通过线性检偏器的探测光波的光能量，并将其转化为电信号。