[发明专利]一种基于弹光调制的光谱椭偏测量装置及方法

说明书

本发明涉及领域椭偏测量方法及仪器设备技术领域，更具体而言，涉及一种基于弹光调制的光谱椭偏测量装置及方法，该光谱椭偏测量装置及方法是基于45°双驱动对称结构弹光偏振调制和FPGA的弹光驱动控制及数据信号处理技术实现的。复色光源经单色仪输出准单色光后，经过光速整形及准直，通过起偏器、待测样品、弹光调制器，最后经检偏器出射，并被光电倍增管探测接收。在FPGA单元中实现调制光信号倍频项的同相分量和正交分量解调，并传入控制电脑。该光谱椭偏测量装置无需机械调节，测量速度快，精度和灵敏度较高、便于自动化控制，能够为椭偏测量技术相关领域提供新理论和新方法。

技术领域

本发明涉及领域椭偏测量方法及仪器设备技术领域，更具体而言，涉及一种基于弹光调制的光谱椭偏测量装置及方法。

背景技术

椭偏测量技术通过对偏振光入射样品前后偏振态变化的测量，能够实现薄膜样品的光学常数(折射率n，消光系数k)、薄膜结构、粗糙度及厚度等参数测量分析。在光学窗口镀膜、微电子、光伏太阳能电池、半导体材料和光电显示等领域获得了广泛应用，并被逐渐在生命科学、纳米科技、新材料技术等高新技术领域展现出应用潜力。随着科学技术探索的深入，不同学科的交叉与融合，椭偏测量技术在材料的物理相变过程探索，生物分子互作用过程观测，原子层沉积、分子自组装等纳米薄膜的膜厚监控，磁性薄膜材料的磁光性质表征等方面具有十分重要的研究意义和应用潜力。但与此同时，这些新应用对椭偏仪的测量速度、测量灵敏度和仪器设备的自动化程度等性能参数提出了越来越高的要求。

已经研制成功的旋转偏振元件的椭偏仪，主要有旋转偏振片型和旋转补偿器型，均具有结构简单，仪器成本低等优点。但旋转偏振片型椭偏仪的椭偏参量Δ测量范围限制在0°-180°，并且当Δ在0°或180°附近时，测量精度降低。旋转补偿器型椭偏仪能够实现椭偏参量Ψ和Δ的全范围测量，并结合光谱测量技术，该类型椭偏仪获得了很好的应用，并成功商业化，是现阶段的主流椭偏分析仪器。但无论是旋转偏振片型椭偏仪，还是旋转补偿器型椭偏仪，测量速率受限于步进电机的旋转速率，单次测量时间均在秒量级，无法实现高速的椭偏测量；并且机械旋转偏振元件会引起光束平移，系统稳定性降低，使得测量精度得不到保证。弹光调制型椭偏仪，具有测量快速、灵敏度高等应用优势，是高速椭偏测量技术的一个重要发展方向，但由于传统PEM使用过程中快轴固定，无法实现检测光偏振态的完全分析，进而应用单个PEM的椭偏仪无法实现椭偏参量的全范围测量。

发明内容

为了克服现有技术中所存在的不足，本发明基于45°双驱动对称结构弹光调制的优异偏振调制性能，并结合光谱测量技术，提供一种基于45°双驱动对称结构弹光调制的光谱椭偏测量装置及方法，在较宽光谱范围内，实现椭偏参量的高速、高灵敏、全范围测量，便于自动化控制。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种基于弹光调制的光谱椭偏测量装置，该装置包括复色光源、单色仪、光束准直系统、椭偏测量系统和信号处理及控制系统，所述椭偏测量系统包括起偏器、样品台、弹光调制器、检偏器、光电倍增管，所述信号处理及控制系统包括信号采集及数据处理单元和控制电脑，所述复色光源、单色仪、光束准直系统、起偏器、样品台、弹光调制器、检偏器、光电倍增管沿入射光路依次设置，所述信号采集及数据处理单元设置在光电倍增管后，用来将电信号转化为数字信号并输入控制电脑，并触发单色仪同时工作。

所述复色光源为氙灯和/或卤钨灯光源。注重紫外光波段的材料特性参数，选择用氙灯光源；注重近红外光波段的材料特性参数，选择用卤钨灯光源；并且两种光源联合使用能够将椭偏测量装置的光谱范围覆盖紫外光到近红外光波段。

所述弹光调制器为45°双驱动对称结构，包括两个压电驱动器，一个弹光晶体和LC谐振高压驱动电路，具体为两个成45°角的压电驱动器驱动同一个弹光晶体工作，两个压电驱动器提供驱动幅值一致的驱动电压，使两个压电驱动器在弹光晶体中的应力幅值相等。