CN103424881A - 用于双旋转补偿器椭偏仪的菲涅尔棱镜相位延迟器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种菲涅尔棱镜相位延迟器，其由两斜方棱镜各以其一端的倾斜底面相互贴合形成对称结构而构成，通过选择相应折射率的棱镜材料以及确定斜方棱镜斜角，入射光束经其中一个斜方棱镜另一端的倾斜底面垂直入射到该斜方棱镜，经其相对的两侧面依次进行两次全反射后通过两斜方棱镜的贴合面入射到另一斜方棱镜，并同样经该斜方棱镜的相对的两侧面依次进行两次全反射后出射，即可得到该双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪所需求的相位延迟量。该相位延迟器能够在包括紫外、可见以及红外的波段内实现良好的消色差性能，并且对光束入射角不敏感，同时便于加工，可用作双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪的旋转补偿器，能够适应双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪对宽光谱波段及127°相位延迟量的要求。

Description

用于双旋转补偿器椭偏仪的菲涅尔棱镜相位延迟器

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***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。

按照本发明的一个方面，提供一种菲涅尔棱镜相位延迟器，用于双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪中，以获得适应该双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪需求的相位延迟量，其特征在于，该相位延迟器由两斜方棱镜各以其一端的倾斜底面相互贴合形成对称结构而构成，通过选择相应折射率的棱镜材料并确定斜方棱镜斜角，使入射的偏振光束经其中一个斜方棱镜另一端的倾斜底面垂直入射到该斜方棱镜，并经其相对的两侧面依次进行两次全反射后通过两斜方棱镜的贴合面入射到另一斜方棱镜，再同样经该另一斜方棱镜的相对的两侧面依次进行两次全反射后出射，即可得到该双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪所需求的相位延迟量。

作为本发明的进一步优选，偏振光束在棱镜内部各次反射所产生的相位延迟量相同，各次反射所产生的相位延迟量之和即为所述双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪所需求的相位延迟量。

作为本发明的进一步优选，所述的相位延迟量与棱镜折射率以及斜方棱镜斜角之间的关系曲线δ₀(n,α)如下：

${\mathrm{\δ}}_0=2\mathrm{arctg}\left(\frac{\cos \mathrm{\α}\sqrt{n^2{\sin }^2\mathrm{\α}-1}}{{n\sin }^2\mathrm{\α}}\right)$

其中，δ₀为偏振光束在棱镜内部单次反射所产生的相位延迟量，n为斜方棱镜在相应偏振光束波长下的折射率，α为斜方棱镜的斜角。

作为本发明的进一步优选，所述斜方棱镜的斜角α在所述曲线δ₀(n,α)的下降区间段选择。

作为本发明的进一步优选，所述双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪所需求的相位延迟量为127°。

作为本发明的进一步优选，所述斜方棱镜的斜角α的范围为66.7°-68.3°，优选为67.5°。

作为本发明的进一步优选，所述斜方棱镜的尺寸根据该斜方棱镜的斜角α确定：

$\frac{L}{A}=2{\sin }^2\mathrm{\α}\tan \mathrm{\α}---(3.a)$

$\frac{H}{A}=1+{2\sin }^2\mathrm{\α}---(3.b)$

其中L为所述斜方棱镜的长度，H为所述斜方棱镜的高度，A为所述斜方棱镜的通光孔径即倾斜底面边长。

作为本发明的进一步优选，所述斜方棱镜为各向同性的光学玻璃，也可以是各向同性的晶体材料。

作为本发明的进一步优选，所述晶体材料为融石英(Fused Silica)、非晶锗氧化物(Fused Germania)、BK7玻璃、K9玻璃和氟化钙中至少一种。

按照本发明的另一方面，提供一种双旋转补偿器椭偏仪，其具有上述的菲涅尔棱镜相位延迟器。

与现有技术相比，本发明所设计的相位延迟器采用两个相同材料相同形状斜方棱镜对称组合的方式，斜方棱镜的斜角为α，入射偏振光束垂直进入第一个斜方棱镜，经过四次全反射，使偏振光束产生相位延迟δ，最后从第二个斜方棱镜射出,从而获得127°的中心相位延迟量，本发明的相位延迟器能够在包括紫外、可见及红外在内的宽波段范围实现消色差，能够满足双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪对补偿器相位延迟量及宽波段的要求，对光束入射角不敏感，从而降低了加工和安装的难度，也适用于旋转补偿器的旋转环境，且降低了安装和光路调试的难度。

附图说明

图1所设计的菲涅尔棱镜相位延迟器的结构及光路示意图；

图2菲涅尔棱镜相位延迟的单个斜方棱镜结构示意图；

图3融石英材料在不同波长下，其单次全反射相位延迟量随斜方棱镜斜角变化的曲线；

图4所设计的菲涅尔相位延迟器在210nm-1000nm波段范围内的相位延迟量曲线；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。此处说明若涉及到具体实例时仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

本实施例的菲涅尔相位延迟器由两个相同的斜方棱镜1和2拼接组合形成，其中斜方棱镜1的一倾斜底面15与斜方棱镜2的一倾斜底面16两者贴合匹配，使得两棱镜以一定角度形成对称结构。

入射偏振光束4垂直入射到第一个斜方棱镜1的面13在棱镜面9进行第一次全反射，反射光束5继续传播，之后在棱镜面10发生第二次全反射，产生的反射光束6依次经过棱镜1与棱镜2贴合的面15和16，入射到棱镜2，然后在棱镜面11发生第三次全反射，反射光束7继续传播至棱镜面12发生第四次全反射，最后产生的反射光束8从棱镜2的棱镜面14射出。

由于两个棱镜对称布置，所以当入射光束4垂直棱镜面13入射时，光束在两个棱镜中的光路具有对称性，即棱镜面14出射的光束8与入射光束4之间没有偏移。这样，入射偏振光在相位延迟器内传播共经过四次全反射，每次全反射产生相位延迟量δ₀，经四次全反射即可产生相位延迟量4δ₀。

由于相位延迟量δ₀与棱镜材料在偏振光束所对应波长下的折射率n以及斜方棱镜的斜角α相关，经过选择相应折射率n的棱镜材料和棱镜的斜角α，即可获得符合设计要求的相位延迟量，以适用于双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪中。

为更清楚地描述本发明，本实施例中优选以满足双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪中需要127°相位延迟量的菲涅尔相位延迟器的设计过程为例进行详细说明。但实际上，本发明的方案并不仅限定于该特定大小的相位延迟量，其他大小的相位延迟量同样适用。

(1)相位延迟器的棱镜组合方式与光路设计。

如图1所示，本实施例的相位延迟器采用两个同材料同形状斜方棱镜对称组合的方式。该两个斜方棱镜为棱镜1和棱镜2，斜方棱镜的斜角3大小为α，第一个棱镜1的面15与第二个棱镜的面16贴合，这样两个斜方棱镜对称布置组合成所设计的相位延迟器。

入射偏振光束4垂直入射到第一个斜方棱镜1的面13，在棱镜面9进行第一次全反射，反射光束5继续传播，之后在棱镜面10发生第二次全反射，产生的反射光束6依次经过棱镜1与棱镜2贴合的面15和16，入射到棱镜2，然后在棱镜面11发生第三次全反射，反射光束7继续传播至棱镜面12发生第四次全反射，最后产生的反射光束8从棱镜2的棱镜面14射出。由于两个棱镜对称布置，所以当入射光束4垂直棱镜面13入射时，光束在两个棱镜中的光路具有对称性，即棱镜面14出射的光束8与入射光束4之间没有偏移。这样，入射偏振光在相位延迟器内传播共经过四次全反射，每次全反射产生的相位延迟量由式(1)给出，

${\mathrm{\δ}}_0=2\mathrm{arctg}\left(\frac{\cos \mathrm{\α}\sqrt{n^2{\sin }^2\mathrm{\α}-1}}{{n\sin }^2\mathrm{\α}}\right)---\left(1\right)$

其中，δ₀为偏振光束在棱镜内部单次反射所产生的相位延迟量，n为棱镜材料在偏振光束所对应波长下的折射率，α为斜方棱镜的斜角。

这样，经过四次反射后，偏振光束产生的总相位延迟量δ为：

δ＝4δ₀           (2)

(2)组成相位延迟器的斜方棱镜材料选择与斜角α设计。

相位延迟器包括两个相同形状的斜方棱镜，这两个棱镜选用同样的各向同性材料，可以是各向同性的光学玻璃也可以是各向同性的晶体材料，比如融石英(Fused Silica)、非晶锗氧化物(Fused Germania)、BK7玻璃、K9玻璃、氟化钙等。为了方便描述，现以融石英材料为例进行说明。

根据式(1)可以得到在不同折射率（即不同波长）下，单次全反射所产生的相位延迟量δ₀随斜方棱镜斜角α变化的曲线δ₀(n,α)，如图3所示。由图3可知，当选定中心相位延迟量δ₀后，有两个区间可以选择斜方棱镜的斜角α，即δ₀(n,α)曲线上升区间段和δ₀(n,α)曲线下降区间段。δ₀(n,α)曲线上升区间段δ₀(n,α)曲线斜率大，δ₀对α变化敏感，这样对棱镜的加工精度要求比较高，并且全波段内相位延迟量偏离中心相位延迟量大，即消色差效果不好；而δ₀(n,α)曲线下降区间段δ₀(n,α)曲线斜率小，变化相对平缓很多，δ₀对α变化不敏感，全波段内相位延迟量偏离中心相位延迟量较小。鉴于以上考虑，本实施例中优选在δ₀(n,α)曲线下降区间段选择斜方棱镜的斜角α。

在210nm-1000nm波段范围内，当设计的相位延迟器中心相位延迟量为127°时，根据式(2)可以得到单次全反射相位延迟量为δ₀=31.75°，如图3所示，在δ₀(n,α)曲线下降区间段选择斜方棱镜的斜角α，由式(1)可以得到α的范围为66.7°-68.3°，为了使210-1000nm全波段内相位延迟量偏离中心相位延迟量δ₀=31.75°比较小，选择优化设计值为α=67.5°。图4给出了当斜方棱镜斜角分别为67.4°、67.5°以及67.6°时，所设计的相位延迟器在210nm-1000nm波段范围内的相位延迟量曲线。由图4可知，当斜方棱镜选择优化斜角值67.5°时，在210nm-1000nm波段范围内，相位延迟量与中心相位延迟量127°的偏差值在-3.7°到4.2°之间，并且当斜方棱镜的斜角有一定的偏差±0.1°时，相位延迟量曲线变化±0.5°左右，基本上不影响全波段内相位延迟特性，因此，这会对斜方棱镜的加工精度要求降低，从而方便加工。

(3)组成相位延迟器的斜方棱镜尺寸设计。

当组成相位延迟器的斜方棱镜的斜角α确定之后，便可以根据斜角α来确定斜方棱镜的外形尺寸。图2给出了斜方棱镜的外形尺寸间的几何关系，斜方棱镜斜角3大小为α，通光孔径17为A，斜方棱镜的长度18为L，斜方棱镜的高度19为H，A、L、H和α之间的关系可以用式(3)表示：

$\frac{L}{A}=2{\sin }^2\mathrm{\α}\tan \mathrm{\α}---(3.a)$

$\frac{H}{A}=1+{2\sin }^2\mathrm{\α}---(3.b)$

由式(3)可知，当给定了斜方棱镜斜角后α，只需根据实际使用要求确定A、L、H三个尺寸中的任何一个，便可以确定斜方棱镜的外观尺寸。通常根据实际需求，首先确定通光孔径A的大小，然后根据式(3)以及第(2)步设计的斜方棱镜的斜角α的大小，确定斜方棱镜的长度L和高度H。比如给定通光孔径A=5mm，α=67.5°，则可以根据式(3)得到L=20.61mm，H=13.54mm。因此只要实际加工尺寸不小于A、L、H的设计值就可以满足使用要求。

用两个第(2)(3)步所设计的斜方棱镜按照第(1)所述的方式进行组合，便构成了所设计的相位延迟器，可用做双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪的旋转补偿器。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，如更换材料、波段或者对斜方棱镜的斜角进行小范围调整，因此，凡是采用本发明的设计方法原理和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种菲涅尔棱镜相位延迟器，用于双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪中，以获得适应该双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪需求的相位延迟量，其特征在于，

该相位延迟器由两斜方棱镜各以其一端的倾斜底面相互贴合形成对称结构而构成，通过选择相应折射率的棱镜材料以及确定斜方棱镜斜角，使入射的偏振光束经其中一个斜方棱镜另一端的倾斜底面垂直入射到该斜方棱镜，经其相对的两侧面依次进行全反射后通过两斜方棱镜的贴合面入射到另一斜方棱镜，再经该另一斜方棱镜的相对两侧面依次进行全反射后出射，即可得到该双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪所需的相位延迟量。

2.根据权利要求1所述的一种菲涅尔棱镜相位延迟器，其特征在于，所述偏振光束在两斜方棱镜内部各次反射所产生的相位延迟量相同，四次反射所产生的相位延迟量之和即为所述双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪所需的相位延迟量。

3.根据权利要求1或2所述的一种菲涅尔棱镜相位延迟器，其特征在于，其特征在于，所述的相位延迟量与斜方棱镜折射率以及斜方棱镜斜角之间的关系曲线δ₀(n,α)如下：

${\mathrm{\δ}}_0=2\mathrm{arctg}\left(\frac{\cos \mathrm{\α}\sqrt{n^2{\sin }^2\mathrm{\α}-1}}{{n\sin }^2\mathrm{\α}}\right)$

其中，δ₀为偏振光束在棱镜内部单次反射所产生的相位延迟量，n为斜方棱镜在相应偏振光束波长下的折射率，α为斜方棱镜的斜角。

4.根据权利要求3所述的一种菲涅尔棱镜相位延迟器，其特征在于，其特征在于，所述斜方棱镜的斜角α在所述曲线δ₀(n,α)的下降区间段选择。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种菲涅尔棱镜相位延迟器，其特征在于，其特征在于，根据所述斜方棱镜的斜角α可确定斜方棱镜的尺寸：

$\frac{L}{A}=2{\sin }^2\mathrm{\α}\tan \mathrm{\α}---(3.a)$

$\frac{H}{A}=1+{2\sin }^2\mathrm{\α}---(3.b)$

其中L为所述斜方棱镜的长度，H为所述斜方棱镜的高度，A为所述斜方棱镜的通光孔径即倾斜底面边长。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种菲涅尔棱镜相位延迟器，其特征在于，其特征在于，所述双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪所需求的相位延迟量为127°。

7.根据权利要求6所述的一种菲涅尔棱镜相位延迟器，其特征在于，其特征在于，所述斜方棱镜的斜角α的范围为66.7°-68.3°，优选为67.5°。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种菲涅尔棱镜相位延迟器，其特征在于，其特征在于，所述斜方棱镜为各向同性的光学玻璃，也可以是各向同性的晶体材料。

9.根据权利要求8所述的一种菲涅尔棱镜相位延迟器，其特征在于，其特征在于，所述晶体材料为融石英(Fused Silica)、非晶锗氧化物(FusedGermania)、BK7玻璃、K9玻璃和氟化钙中至少一种。

10.一种双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪，其特征在于，其包括权利要求1-9中任一项所述的菲涅尔棱镜相位延迟器。

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