[发明专利]用于双旋转补偿器椭偏仪的菲涅尔棱镜相位延迟器

说明书

技术领域

本发明属于椭偏仪技术领域，具体涉及一种用于双旋转补偿器椭偏仪的菲涅尔棱镜相位延迟器。

背景技术

椭圆偏振测量技术是研究两媒质间界面或者薄膜中发生的现象及其特性的一种光学方法，其原理是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射时出现的偏振变换，包括相位差和振幅比。椭圆偏振仪（简称椭偏仪）是利用椭圆偏振测量技术发展起来的通用光学测量仪器。其基本原理是通过起偏器将特殊的椭圆偏振光投射到待测样品表面，通过测量待测样品的反射光（或者透射光），以获得偏振光在反射（或者透射）前后的偏振态变化（包括振幅比和相位差），进而从中提取出待测样品的信息。椭偏仪有很多种类型，包括无旋转部件型椭偏仪、旋转偏振器型椭偏仪、单旋转补偿器型椭偏仪、液晶调相型椭偏仪以及双旋转补偿器型穆勒矩阵椭偏仪等。

补偿器是椭偏仪中的重要光学元件，通常由光学相位延迟器制作而成，光学相位延迟器包括液晶相位延迟器、波片和菲涅尔棱镜相位延迟器等。液晶相位延迟器通过控制加在液晶两边的电压，可以改变液晶的双折射系数，从而改变通过液晶延迟器偏振光的的相位差，液晶相位延迟器的优点是调节和控制方便，且精度高，但其显著的缺点是适用波段范围窄，难以满足宽光谱测量的需求。波片通常由双折射晶体材料或者高分子材料制作而成，通过材料本身的双折射特性使偏振光产生相位差，波片尺寸紧凑，通过复合波片方式能够做成宽波段消色差相位延迟器，但是由于吸收系数在紫外波段猛增，波片相位延迟器很难延伸至紫外波段，而且波片对温度、入射角等环境因素十分敏感。菲涅尔棱镜相位延迟器利用全反射相变原理使偏振光产生相位差，能够很好地实现紫外-红外波段的消色差，并通过特定形状的棱镜组合（比如将两个斜方棱镜对称放置的组合），可以消除相位延迟量对入射角的敏感性等，是一种比较理想的椭偏仪补偿器。

现有技术中有多种菲涅尔全反射棱镜相位延迟器，例如R.J.King和M.J.Downs在1969年就设计出了菲涅尔棱镜型相位延迟器(R.J.King,M.J.Downs.,Vol.16,pp.288,1969)；R.M.A.Azzam以及美国J.A.Woollam公司的B.D.Johs也设计了四分之一波长或四分之三波长的菲涅尔棱镜相位延迟器；曲阜师范大学、上海仪器三科有限公司以及清华大学深圳研究生院等分别设计了菲涅尔棱镜相位延迟器。但是，已有的菲涅尔棱镜相位延迟器大多是四分之一波长、二分之一波长或者四分之三波长的菲涅尔棱镜相位延迟器，或者是应用于特定设备或仪器的相位延迟器。

双旋转补偿器型穆勒矩阵椭偏仪可以在一次测量中获得样品的整个4x4穆勒矩阵，因此可以获得更为丰富的样品信息，拥有广阔的应用前景。双旋转补偿器型穆勒矩阵椭偏仪的通常配置为起偏器、第一个旋转补偿器、样品、第二个旋转补偿器、检偏器，即PC₁rSC₂RA(R.W.Collins,Joohyun Koh,J.Opt.Soc.Am.A,Vol.16,pp.1997-2006,1999)，两个补偿器按照一定的角速率比例连续旋转，从而将样品的穆勒矩阵信息耦合在偏振光束中的斯托克斯向量中，通过分析出射偏振光束便可以得到样品的穆勒矩阵。

旋转补偿器是双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪的关键部件，其相位延迟量、适用光谱范围及对入射角的敏感性等性能会对椭偏仪的测量精度产生重大影响。M.H.Smith(M.H.Smith,Appl.Opt.,Vol.41,pp.2488-2493,2002)利用条件数对双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪系统配置进行优化，得到补偿器的优化相位延迟量为127°。已有的相位延迟器设计大多是四分之一波长、二分之一波长或者四分之三波长的菲涅尔棱镜相位延迟器，或者是应用于特定设备或仪器的相位延迟器，不能满足双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪对补偿器相位延迟量的要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于双旋转补偿器椭偏仪的菲涅尔棱镜相位延迟器，其目的在于通过两个相同材料相同形状斜方棱镜对称组合的方式产生特定角度的相位延迟，从而解决双旋转补偿器椭偏仪需要适应特定角度延迟量的问题。