[发明专利]一种双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪及其测量方法

说明书

一种双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪及其测量方法，双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪包括:起偏调制单元，起偏调制单元包括：光源、起偏器和第一涡旋四分之一波片，检偏调制单元包括第二涡旋四分之一波片和检偏器；图像传感器，图像传感器适于对检偏器的出射光束进行采样以得到光强调制图像，光强调制图像随光强调制图像的方位角呈明暗交替变化；第一分析单元、第二分析单元和第三分析单元，第一分析单元适于根据光强调制图像得到光强调制函数；第二分析单元适于对光强调制函数进行傅里叶分析以得到傅里叶表达式；第三分析单元适于根据傅里叶表达式中的系数获取待测样品的穆勒矩阵。双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪结构简单、稳定性好、测量速度快、解算过程简单。

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪及其测量方法。

背景技术

椭偏仪通过测量偏振光经过待测样品反射或透射前后偏振状态的变化，进而分析提取出待测样品的薄膜厚度、光学常数、纳米结构特征尺寸等待测参数。与其它光学或机械测量方法如干涉法、原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)等相比，椭偏仪测量具有测量速度快、测量精度高、可以同时测得薄膜厚度和折射率等多种参量、样品非破坏性等优点，这使得椭偏仪在材料科学、微电子、生物医疗等领域中成为一种不可或缺的测量仪器。

传统的椭偏仪在测量中只能获得振幅比和相位差两种椭偏参数(仅对应待测样品穆勒矩阵的部分元素)，而穆勒矩阵椭偏仪可以实现待测样品全部穆勒矩阵元素的测量，进而可以得到样品的各向异性、退偏效应等更丰富的光学特性，因而应用价值更高。

目前实现穆勒矩阵椭偏仪的方案主要有时序调制和波长调制两种。现有的商用穆勒矩阵椭偏仪大都采用时序调制的方法测量待测样品的穆勒矩阵，例如我国武汉颐光科技有限公司研发的ME-L穆勒矩阵椭偏仪通过对起偏臂和检偏臂中的两个补偿器以恒定的角速度比同步旋转，实现了入射光束和出射光束偏振状态的连续调制与解调，通过对测量得到的光强信号进行傅里叶分析进而得到待测样品的全部穆勒矩阵元素；美国HindsInstruments公司研发的150XT型穆勒矩阵椭偏仪则是在起偏臂与检偏臂中各采用两个光弹调制器件(PEMs)完成对光束偏振状态的调制与解调。旋转式时序调制型穆勒矩阵椭偏仪涉及到光学元件的机械旋转，系统结构复杂，光路稳定性较差；基于光弹调制器的穆勒矩阵椭偏仪不需要设置旋转器件，光路稳定性和测量速度都有较大提升，但受限于光弹调制器件，其系统结构也较为复杂，成本较高，且对光源的波长漂移和测量环境的温度变化较为敏感。此外，上述基于时序调制的穆勒矩阵椭偏仪完成单次测量需耗费亚秒甚至数秒时间，这也限制了其在快速变化的动态测量中的应用。波长调制型穆勒矩阵椭偏仪利用特定厚度比且按特定方位角排列的多级波片将待测样品穆勒光谱信息调制到多个高频载波上，通过对测量光谱分通道处理进一步得到待测样品的穆勒矩阵元素。波长调制型穆勒矩阵椭偏仪具有测量速度快，光路结构简单、不涉及运动器件干扰等优点，但多重信息复用给穆勒光谱重构带来了巨大的挑战，其目前缺乏简单高效的重构与标定方法，尚处于原理研究与技术开发阶段。

综上分析，有必要研究一种系统结构简单、稳定性好、测量速度快、解算过程简单的穆勒矩阵椭偏仪。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪及其测量方法，以使得结构简单、稳定性好、测量速度快、解算过程简单。