[发明专利]一种傅里叶变换红外穆勒矩阵椭偏仪及其测量方法

说明书

本发明属于检测与测量领域，并公开了一种傅里叶变换红外穆勒矩阵椭偏仪及其测量方法。该椭偏仪包括光源调制模块、起偏调制模块、检偏调制模块、样品台和控制模块，其中：光源调制模块包括红外光源、迈克尔逊干涉仪和离轴抛物镜，起偏调制模块包括起偏器和第一旋转相位延迟器；样品台上方摆放待测样品；检偏调制模块包括第二旋转相位延迟器、检偏器和红外光电探测器；控制模块包括电机驱动控制器和计算机。本发明通过引入傅里叶变换仪可以实现红外光谱范围的快速准确测量；并且选用双菱形菲涅尔棱镜能够实现全光谱范围内消色差的功能；此外，本发明通过使用步进式双旋转相位延迟器的调制方式，可以在一次测量中获得待测样品的全穆勒矩阵信息。

技术领域

本发明属于检测与测量领域，更具体地，涉及一种傅里叶变换红外穆勒矩阵椭偏仪及其测量方法。

背景技术

椭圆偏振仪(简称椭偏仪)是一种利用光的偏振特性获得待测样品信息的光学测量仪器，其基本原理是通过起偏臂将特定偏振态的光投射到待测样品表面，经样品反射(或投射)后测量出射光的偏振态，通过测量待测样品对入射光偏振态的改变量(包括幅值比和相位差)获得待测样品的信息。传统椭偏仪在薄膜材料和微纳结构测量中获得了广泛的应用，但对于各向异性材料的光学常数测量、纳米结构关键尺寸及形貌参数测量等应用表现出了一定的局限性。而穆勒矩阵椭偏仪可以获得待测样品归一化的4x4阶全穆勒矩阵参数，相对于传统椭偏仪可以获得更加丰富的测量信息。基于双旋转补偿器型的穆勒矩阵椭偏仪，可以在一次测量中获得待测样件归一化(相对于m11，即第一个元素)的全部15个穆勒矩阵参数，不需要重新配置测量系统，因此测量速度更快。

很多应用领域要求穆勒矩阵椭偏仪可以在更宽的光谱范围，尤其是在红外波段进行快速准确地测量。红外椭偏仪可用于各种信息光电子功能材料和器件红外光谱范围特有的声子振动吸收、自由载流子迁移率、分子振动吸收的测量，从而获得应力、组成、掺杂率等信息。测量对象包括金属、半导体、超导体、绝缘体、非晶体、磁性材料、薄膜材料、光电材料、非线性材料、各向同性或各向异性材料以及可见不透明但红外光谱范围透明的材料等。但是红外椭偏仪存在两个技术难题：一是因红外光谱范围非常宽，可见波段常用的单色仪分光波长扫描这种测量方式的测量时间非常长，无法满足应用中快速测量的需求；二是红外元器件的参数不理想，如红外光源中光的强弱、常用的金属线栅偏振片的消光比低、红外宽波段消色差延迟其难以获得等。

为解决以上问题，第一次提出将傅里叶变换光谱仪引入椭偏仪，从而使用常规的光源也能够满足光强要求，并且通过傅里叶变换仪调制可以在一次测量中采集整个红外波段内的光谱，很大程度上缩短了测量时间，使红外椭偏仪得到了一定的发展。J.A.W.oollam公司的红外椭偏仪产品IR-VASE Mark II将傅里叶变换仪引入椭偏仪，但是其调制方式为单旋转补偿器型(RCE)，因此不能在一次测量过程中获得样品的全穆勒矩阵信息，在进行各项异性材料的测试中也表现出来一定的局限性。专利CN1274080A公开了一种单色仪分光红外椭圆偏振光谱仪，但是其在红外区域的测量速度较慢，专利CN1073696C公开了一种红外双重富利埃变换的椭圆偏振光谱仪及其设计方法，该专利未涉及延迟器的使用，因此不能在一次测量过程中获得待测样品的全穆勒矩阵信息。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种傅里叶变换红外穆勒矩阵椭偏仪及其测量方法，其中对其关键组成部件如迈克逊干涉仪、旋转相位延迟器的具体结构及其设置方式的改进研究，同时对其整体结构布局重新做出针对性设计，相应可以实现红外光谱范围的快速准确测量，并且能够实现全光谱范围内消色差的效果，因而尤其适用于各种红外测试的应用场合。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种傅里叶变换红外穆勒矩阵椭偏仪，其特征在于，该椭偏仪包括光源调制模块、起偏调制模块、检偏调制模块、样品台和控制模块，其中：