一種橢圓偏振光譜儀中單色儀的校準方法

2023-04-26 09:02:26 4

專利名稱：一種橢圓偏振光譜儀中單色儀的校準方法
技術領域：
本發明涉及橢圓偏振光譜儀技術領域，特別涉及一種橢圓偏振光譜儀中單色儀的校準方法。
背景技術：
橢圓偏振光譜儀通過檢測線偏振光與樣品作用後光的偏振態的改變，計算後給出樣品厚度、折射率等信息，在薄膜、晶體檢測中的應用越來越廣泛，是光學檢測領域中能夠實現無損、在線檢測的重要檢測儀器，具有非常高的檢測精度。橢圓偏振光譜儀中單色儀的精密 校準是保證光譜儀測量精度的重要前提，對單色儀的校準通常是出廠時採用汞燈、氫燈、鈉燈、氖燈以及銅、鋅、鐵做電極的弧光等一組光源來定標的，設備要求高，技術複雜。普通橢圓偏振光譜儀的用戶在設備長期使用或重新裝調後對單色儀進行校準時，很難達到以上的技術條件，即使廠家工程師現場維護也通常僅採用一種光源做校準，這使得橢圓偏振光譜儀中單色儀在長期使用或光路重新裝調後很難校準到出廠時的最佳狀態，這將直接的降低橢圓偏振光譜儀的測量精度。

發明內容
為解決橢圓偏振光譜儀用戶在對單色儀的精密校準過程中所遇到的設備要求高、技術複雜的困難，本發明採用常用的光學基本器件檢偏器和標準石英波片，設計了一種快速、精密的橢圓偏振光譜儀中單色儀的校準方法。本發明是通過以下方式實現的
一種橢圓偏振光譜儀中單色儀的校準方法，包括以下步驟
(1)將待校準的橢圓偏振光譜儀的起偏臂和檢偏臂調至水平透射模式；
(2)旋轉起偏臂中的起偏器，將氙燈出射光調為P方向振動的線偏光，在起偏臂和檢偏臂之間放入檢偏器，旋轉檢偏器至消光；
(3)將標準石英波片放入起偏臂和檢偏器之間，使入射光線垂直波片表面，旋轉標準石英波片，使其光軸沿水平方向，這時將再次出現消光；
(4)旋轉起偏臂中的起偏器，將出射線偏光振動方向調至與P方向成45度角方向；
(5)撤出檢偏器，掃描需校準波段的橢偏光譜，得到標準石英波片在P、S兩方向上的位相差色散曲線；
(6)將上述步驟(5)得到的P、S兩方向上位相差色散曲線與所使用的標準石英波片在相同條件下的P、S兩方向上位相差的理論色散曲線進行比較，將實際波長校準至理論波長，實現對橢圓偏振光譜儀中單色儀波長的校準。所述的校準方法，步驟(6)中計算標準石英波片在P、S兩方向上位相差的理論色散曲線時，取0 360度範圍內的曲線作為標準石英波片在P、S兩方向上位相差的理論曲線。所述的校準方法，將實際波長校準至理論波長，具體步驟為
(I)在步驟(5)得到的P、S兩方向上位相差色散曲線與理論色散曲線圖上，作等位相的水平直線與兩曲線相交，兩個交點間的波長差值即為該點的校準值；(2)如果實際測量的P、S兩方向上位相差色散曲線相對理論色散曲線整體向右平移，單色儀波長的準確讀數應該在原讀數的基礎上整體減去校準值；如果實際測量的P、S兩方向上位相差色散曲線相對理論色散曲線整體向左平移，單色儀波長的準確讀數應該在原讀數的基礎上整體加上校準值。本發明中所述的標準石英波片是光學儀器中的一種器件，可用於改變偏振光的位相差。標準石英波片幾何厚度用d表示。根據橢偏光譜測量原理，上述步驟(6)測量得到 波片的位相差色散曲線滿足方程
A (入)=(360/ 入) An d方程一
其中A為P方向與S方向上的位相差，入為對應波長，d為波片厚度，是溫度的函數，在常溫下為近似為固定的常數，An為石英晶體雙折射率差，它是波長與溫度的函數，在常溫下其色散滿足如下經驗方程
An(入)=0. 01436-2. 63111 *10_5 入 +5. 62427 *10_8 入 2_6. 73725 *10-11 入 3+4. 75388 *10_14 入 4 -I. 96809 IO-17 A 5+4. 41564 IO-21 A 6-4. 14135 IO-25 A 7方程
其中、為波長，單位為納米。方程一即為本發明校準橢圓偏振光譜儀中單色儀的理論基礎。根據方程一和方程二，可計算出標準石英波片的理論位相差色散曲線，然後與實驗實際測量得到的色散曲線進行比較，可對光譜儀波長進行快速校準。本發明中所述的P方向為垂直水平面的豎直方向，S方向為水平方向。本發明中所述的檢偏器是光學儀器中的一種器件，可用於鑑別光的偏振狀態。關于波長校準精度的理論分析
根據理論公式A (A) = (360/入) An (!，An=O. 01436-2. 63111 1(T5 入+5. 62427 KT8 入 2-6. 73725 l(Tn 入 3+4. 75388 1(T14 入 4 -I. 96809 1(T17 入 5+4. 41564 1(T21 入 6_4. 14135
IO-25 入 7
則A (入)=(0. 01436-2. 63111 .1(T5 入+5. 62427 .1(T8 入 2_6. 73725 .KT11 入 3+4. 75388 10_14 入 4 -I. 96809 10_17 入 5+4. 41564 10_21 入 6-4. 14135 10_25 入 7/ 入) 360 d
=(0. 01436 入 _1-2. 63111 KT5 +5. 62427 KT8 入-6. 73725 l(Tn 入 2+4. 75388 1(T14 入 3-I. 96809 1(T17 A 4+4. 41564 1(T21 A 5-4. 14135 1(T25 A6) 360 d,
將其對、求一階導數，則有
A '( A ) = (-0. 01436 A _2+5. 62427 10_8 -2 6. 73725 10_n A +3 4. 75388 10_14 入 2-4 I. 96809 10_17 A 3+5 4. 41564 10_21 A 4-6 4. 14135 10_25 入 5) 360 d利用Mathematica繪圖軟體對其做三維圖，如圖6。可見A 『(入)在短波長方向絕對值較大,在長波長方向絕對值較小。A 『『(入)絕對值大表明△隨X的變化速率快，反之則慢，對長波長處進行放大如圖7。可以看到，採用較厚的標準波片，可以提高A 『U )的絕對值，若採用Imm厚度的標準波片，則可以實現A 『( X )在190 1700nm的波段內最小絕對值大於I. 0，因實際校準過程中，位相差測量精度為0. I度，所以對應的波長精度優於0. lnm，適用於一般的光譜儀日常維護對波長精度的檢查。若需進一步的提高校準精度，則需要選用厚度更大的波片，若選用Icm厚標準波片，則可在上述紫外至紅外的寬波段內實現0. Olnm的測量精度，達到專業光譜校準精度水平。在具體校準過程中需要對波片進行恆溫控制，厚度較大的波片容易在波片內部出現溫度起伏，產生大的誤差，所以實際校準過程中應根據檢測或校準精度的需要和校準波段的範圍，選擇厚度合適的標準波片。 本發明的有益效果本發明的橢圓偏振光譜儀中單色儀的校準方法，利用的是標準石英波片透射光譜的位相差色散原理，該校準方法理論簡潔、清晰，設備要求簡單、容易實現，校準速度快、精度高，與採用特定譜線的燈組光源校準方法相比，該校準方法降低了校準的操作難度，並實現了連續波長的校準。


圖I是本發明的測量裝置光路示意圖，其中
I-氙燈光源，2-起偏臂，3-標準石英波片，4-檢偏器，5-檢偏臂，6-單色儀與探測器，7計算機；
圖2是厚度為635 u m的標準石英波片在P、S兩方向上的位相差色散理論曲線， 橫坐標為波長，縱坐標為P、S兩方向上的位相差；
圖3是厚度為635 u m的標準石英波片在820 900nm波段的P、S兩方向上的位相差色散的理論曲線，其中
橫坐標為波長，縱坐標為P、S兩方向上的位相差；
圖4是本發明實施例I中，待校準光譜儀測量得到的標準石英波片的位相差色散曲線和位相差色散理論曲線，其中
橫坐標為波長，縱坐標為P、S兩方向上的位相差，實線為待校準光譜儀測量得到的標準石英波片的位相差色散曲線，虛線為標準石英波片的位相差色散理論曲線；
圖5是本發明實施例2中，待校準光譜儀測量得到的標準石英波片的位相差色散曲線和位相差色散理論曲線，其中
橫坐標為波長，縱坐標為P、S兩方向上的位相差，實線為待校準光譜儀測量得到的標準石英波片的位相差色散曲線，虛線為標準石英波片的位相差色散理論曲線；
圖6為利用Mathematica繪圖軟體對A ( A )做的三維 圖7為圖6中長波長端的放大 圖8為實施例I和2中A *( A )隨波長的變化曲線圖。
具體實施例方式如圖I所示，橢圓偏振光譜儀光路結構，依次由氙燈光源I、起偏臂2、檢偏臂5、單色儀與探測器6、計算機7組成。幾何厚度為635 iim的標準石英波片，190 1700nm波段的P、S兩方向上位相差的理論色散曲線見圖2，820 900nm波段的P、S兩方向上0-360°範圍內的等效位相差的理論色散曲線見圖3。實施例I :
橢圓偏振光譜儀中單色儀的校準方法，包括以下步驟
(1)將待校準的橢圓偏振光譜儀的起偏臂2和檢偏臂5調至水平透射模式；
(2)調整起偏臂2參數，將氙燈出射光線調整為P方向的線偏振光，然後如圖I所示，在光路中的起偏臂2和檢偏臂5之間放入檢偏器4，旋轉檢偏器4至消光，就將檢偏器4的位置確定好了；
(3)將幾何厚度為635u m的標準石英波片3放入光路的起偏臂2和檢偏器4之間，使入射光線垂直波片表面，旋轉波片使光軸沿水平方向，這時將再次消光，將標準石英波片3的位置確定好；
(4)調整起偏臂2參數，將出射光線偏光振動方向調至與P方向成45度角方向；
(5)撤出檢偏器4，掃描需校準波段820 850nm的橢偏光譜，得到標準石英波片3在P、S兩方向上位相差色散曲線；·
(6)按照公式I與公式2，計算標準石英波片3在相同條件下的P、S兩方向上位相差的理論色散曲線，並捨棄360度的整數倍，轉化為0 360度範圍內的等效位相差的理論色散曲線，將步驟(5)中得到的P、S兩方向上位相差色散曲線與理論色散曲線進行比較，見圖4，實線為待校準光譜儀測量得到的標準石英波片的位相差色散曲線，虛線為標準石英波片的理論色散曲線。作等位相直線與兩曲線相交，兩交點間橫坐標之差即為對應該點的校準值，很明顯，測量得到的實驗曲線與理論曲線基本平行，出現整體的平移，實際測量曲線相對理論曲線整體向左平移了 4. Onm，所以單色儀波長原來讀數整體偏小，整體校準為原讀數加4. Onm,實現了對橢圓偏振光譜儀中單色儀在820 850nm波段的整體校準。實施例2:
橢圓偏振光譜儀中單色儀的校準方法，包括以下步驟
(1)將待校準的橢圓偏振光譜儀的起偏臂2和檢偏臂5調至水平透射模式；
(2)調整起偏臂2參數，將氙燈出射光線調整為P方向的線偏振光，然後如圖I所示，在光路中的起偏臂2和檢偏臂5之間放入檢偏器4，旋轉檢偏器4至消光，就將檢偏器4的位置確定好了；
(3)將幾何厚度為635u m的標準石英波片3放入光路的起偏臂2和檢偏器4之間，使入射光線垂直波片表面，旋轉波片使光軸沿水平方向，這時將再次消光，將標準石英波片3的位置確定好；
(4)調整起偏臂2參數，將出射線偏光振動方向調至與P方向成45度角方向；
(5)撤出檢偏器4，掃描需校準波段856 900nm的橢偏光譜，得到標準石英波片3在P、S兩方向上位相差色散曲線；
(6)按照公式I與公式2，計算標準石英波片3在相同條件下的P、S兩方向上位相差的理論色散曲線，並捨棄360度的整數倍，轉化為O 360度範圍內的等效位相差的理論色散曲線，將步驟(5)中得到的P、S兩方向上位相差色散曲線與理論色散曲線進行比較，見圖5，實線為待校準光譜儀測量得到的標準石英波片的位相差色散曲線，虛線為標準石英波片的理論曲線。作等位相直線與兩曲線相交，兩交點間橫坐標之差即為對應該點的校準值，很明顯，測量得到的實驗曲線與理論曲線基本平行，出現整體的平移，實際測量曲線相對理論曲線整體向右平移了 2. Onm，所以單色儀波長原來讀數整體偏大，整體校準為原讀數減
2.Onm,實現了對橢圓偏振光譜儀中單色儀在856 900nm波段的整體校準。實施例I和2中，採用了 635 iim厚度的波片，如圖8所示，| A '( A ) |在820 900nm波段內的最小值在900nm處，約為2. 65,0. I度的位相差A的測量精度對應0. 04nm的波長校準精度，達到了專業光譜校準精度的 水平，說明635 u m厚度的波片，即可實現820 900nm波段的光譜校準。
權利要求
1.一種橢圓偏振光譜儀中單色儀的校準方法，其特徵是包括以下步驟 (1)將待校準的橢圓偏振光譜儀的起偏臂和檢偏臂調至水平透射模式； (2)旋轉起偏臂中的起偏器，將氙燈出射光調為P方向振動的線偏光，在起偏臂和檢偏臂之間放入檢偏器，旋轉檢偏器至消光； (3)將標準石英波片放入起偏臂和檢偏器之間，使入射光線垂直波片表面，旋轉標準石英波片使光軸沿水平方向，再次消光； (4)旋轉起偏臂中的起偏器，將出射線偏光振動方向調至與P方向成45度角方向； (5)撤出檢偏器，掃描需校準波段的橢偏光譜，得到標準石英波片在P、S兩方向上位相差色散曲線； (6)將上述步驟(5)得到的P、S兩方向上位相差色散曲線與所使用的標準石英波片在相同條件下的P、S兩方向上位相差的理論色散曲線進行比較，將實際波長校準至理論波長，實現對橢圓偏振光譜儀中単色儀波長的校準。
2.根據權利要求I所述的校準方法，其特徵在於步驟(6)中計算標準石英波片在P、S兩方向上位相差的理論色散曲線時，取O 360度範圍內的曲線作為標準石英波片在P、S兩方向上位相差的理論曲線。
3.根據權利要求2所述的校準方法，其特徵在於將實際波長校準至理論波長，具體步驟為①在步驟(5)得到的P、S兩方向上位相差色散曲線與理論色散曲線圖中作等相位線，等相位的水平直線與兩曲線相交，兩個交點間的波長差值即為該點的校準值； ②如果實際測量的P、S兩方向上位相差色散曲線相對理論色散曲線整體向右平移，單色儀波長的準確讀數應該在原讀數的基礎上減去校準值；如果實際測量的P、S兩方向上位相差色散曲線相對理論色散曲線整體向左平移，単色儀波長的準確讀數應該在原讀數的基礎上加上校準值。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的校準方法，其特徵在於標準石英波片幾何厚度為635 u m0
5.根據權利要求1-3中任一項所述的校準方法，其特徵在於入射線波長為820 900nmo
6.根據權利要求4中所述的校準方法，其特徵在於入射線波長為820 900nm。
全文摘要
本發明涉及橢圓偏振光譜儀技術領域，特別涉及一種橢圓偏振光譜儀中單色儀的校準方法將檢偏器和標準石英波片放入光路中，確定好位置；撤出檢偏器，設定起偏方向，掃描需校準波段的橢偏光譜，得到標準石英波片在P、S兩方向上位相差色散曲線，與在相同條件下的P、S兩方向上位相差的理論色散曲線進行比較，將實際波長校準至理論波長，實現對橢圓偏振光譜儀中單色儀波長的校準。本發明的校準方法，利用的是標準石英波片透射光譜的位相差色散原理，該校準方法理論簡潔、清晰，設備要求簡單、容易實現，校準速度快、精度高，與採用特定譜線的燈組光源校準方法相比，該校準方法降低了校準的操作難度，並實現了連續波長的校準。
文檔編號G01J3/12GK102735337SQ20121022607
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月3日 優先權日2012年7月3日
發明者夏雲傑, 宋連科, 郝殿中, 閆珂柱, 韓培高, 魏麗梅 申請人:曲阜師範大學