CN103776537B - 一种偏振光斯托克斯参量的测量装置及其优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振光斯托克斯参量的测量装置及其优化方法，测量装置包括分束器和在分束器的两个分光路上分别各自引入的波片、分光器件、两个光电探测器。入射偏振光经分束器后，产生两束偏振态不同的偏振光，这两束偏振光再分别垂直入射到两块波片上，通过波片的位相调制作用，产生两束具有新偏振态的光束；另外两个分光器件将这两束偏振光变成四束偏振光，并垂直入射到四个光电探测器上，产生相应的电流信号，调节两块波片的方位角至最佳方位角，能使仪器矩阵最优化。通过定标求解出仪器矩阵后，将待测光所引起的电流信号进行计算求解，可实现入射光斯托克斯参量的实时测量。本发明的结构和优化方法简单，易于实现，测量精度高，适应性更强。

Description

一种偏振光斯托克斯参量的测量装置及其优化方法

技术领域

本发明属于光学测量与计量技术领域，特别涉及一种偏振光斯托克斯参量的测量装置及其优化方法。

背景技术

光束偏振态的斯托克斯（stokes）参数的精确快速测量在工业、军事及科学研究等方面有广泛应用意义。偏振光斯托克斯参数椭偏仪就是典型的应用，它具有测量速度快、测量精度高等特点，在光学测量、薄膜及材料性质研究与光刻成像等许多领域有重要应用。测量光偏振态托克斯参数的装置主要有：旋转元件的光度法测量装置及分振幅光偏振测量装置（DOAP）。目前，国内外已经研制出十多种不同结构的分振幅光偏振测量装置，主要有镀膜分光器型、四探测器型、金属光栅型、液晶型及光纤型等。1982年美国学者R.M.A.Azzam设计了第一台利用振幅分割法测量光偏振的装置（DOAP），没有任何转动部件或调制器，结构简单。但没有对其结构进行优化设计。实际研究表明：对DOAP中的镀膜分光镜的设计参数是有一定要求的，这样，***才到达最优化，测量精确度才最高，稳定性最好，样品适应性最强。但要获得符合要求的镀膜分光器，并非易事，要对镀膜过程及参数进行精确设计及控制。针对振幅分割法测量光偏振的装置存在的问题，在该结构的基础上，本发明引进二块有位相调制作用的波片，构建了基于位相调制的分振幅光偏振测量装置，并提出了***仪器矩阵的优化方法。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种分振幅偏振光斯托克斯参数的测量装置及其优化方法，不但避免特殊及复杂的镀膜或刻蚀工艺，而且能够提高偏振光参数的可靠性、测量精度及适应性，具体技术方案如下。

一种偏振光斯托克斯参量的测量装置，其包括将入射光分为透射光及反射光的分束器，在透射光路还依次包括用于位相调制的第一波片、实现偏振分光的第一分光器件和分别接收经第一分光器件分光后的两束光的第一光电探测器与第二光电探测器；在反射光路上还依次包括用于位相调制的第二波片、实现偏振分光的第二分光器件和分别接收经第二分光器件分光后的两束光的第三光电探测器与第四光电探测器；四个所述探测器的光强信号输出端通过数据采集卡与用于对数据进行处理的电子计算机连接。

上述的偏振光斯托克斯参量的测量装置中，所述透射光和反射光为两束偏振态不同的偏振光，透射光垂直入射到第一波片上，反射光垂直入射到第二波片上，第一分光器件、第二分光器件进一步将所述两束偏振态不同的偏振光变成四束偏振光，四束偏振光经四个所述探测器后产生相应的电流信号；所述第一波片、第二波片的方位角可调，调节两块波片的方位角至最佳方位角，能使仪器矩阵最优化，通过定标求解出仪器矩阵后，将待测光所引起的电流信号进行计算求解，实现入射光斯托克斯参量的实时测量。

理论上,第一波片、第二波片的位相延迟量有多种组合，典型的有：第一波片、第二波片的组合采用二分之一波片与四分之一波片相互组合或采用二分之一波片与四分之一波片组合、二分之一波片与二分之一波片组合、四分之一波片与四分之一波片组合、或者四分之一波片与其不同位相延迟量的波片组合，二分之一波片与其不同位相延迟量的波片组合等。

上述偏振光斯托克斯参量的测量装置的优化方法，可以采用实测法，具体过程为：在测量装置的光路结构确定及各光学元件选定的条件下，通过调节第一波片、第二波片的方位角实现优化，即通过实际测量不同方位角下测量装置的仪器矩阵的行列式大小，获得矩阵行列式的大小与波片方位角的关系曲线进而确定当仪器矩阵最大时所对应的波片最佳方位角，实现测量装置的仪器矩阵最优化。

上述偏振光斯托克斯参量的测量装置的优化方法，可采用模拟法，具体过程为：利用光学测量仪器或设备，实际测量所述测量装置的光路中所有分光元件的椭偏参数，得到单个分光元件的矩阵表达式，并计算测量装置的仪器矩阵，对测量装置的仪器矩阵及其行列式进行数值模拟及分析，得到仪器矩阵最大时所对应的波片最佳方位角，实现测量装置仪器矩阵的最优化。该方法中，通过固定两块波片中一块的方位角，采用数值模拟方法，计算仪器矩阵行列式随另一块波片方位角的变化曲线，曲线上最大值所对应的横坐标为另一块波片的最佳方位角。

上述优化方法中，设入射光的斯托克斯参量为,令T、R分别表示分束器（1）的透射矩阵和反射矩阵，、为第一分光器件（4）的透射矩阵和反射矩阵，、为第二分光器件（5）的透射矩阵和反射矩阵，为光电探测器的光电转换系数，、分别为透射光路以及反射光路中第一波片和第二波片的传输矩阵，则四个光电探测器所产生的电流信号分别表示为：

第一探测器：

第二探测器：

第三探测器:

第四探测器:，

令D代表整个测量装置的仪器矩阵，I代表各光电探测器电流信号所组成的电流矩阵，则

（1），

仪器矩阵D通过定标方法求出，若仪器矩阵D存在可逆矩阵,那么待测光线的斯托克斯矢量为

（2），

已知测量装置的仪器矩阵，通过探测的电信号矢量确定任意光线的斯托克斯矢量；

令ABS=

ABS=（3）。

其中，det表示对矩阵求行列式，通过对波片方位角调整来使行列式绝对值ABS最大化，实现仪器矩阵的最优化。

当仪器矩阵D的各行线性无关性越大，仪器矩阵将更加的优化，此时偏振态的测量精度将会大大提高，这种情况数学上对应于行列式的ABS最大，因此选择合适的光学元件，进行适当的方位角调整来使行列式绝对值ABS最大化，可实现仪器矩阵的最优化。

本发明相对于现有技术具有以下优点：

（1）本发明方法可以实现装置仪器矩阵的最优化。优化方法及过程简单、可靠且易于实现。

（2）本发明装置结构简单，不需任何特殊加工镀膜工艺，所需元件容易获得，光路调节方便，可随时根据挑选的各类分光器件而改变参数设置。

（3）本发明装置测量偏振光斯托克斯参量精度高，结果更稳定可信，适应性更强；不但成本廉价，而且可以小型化，适用于各种实际测量***，如椭偏仪等。

附图说明

图1为本发明测量装置光路结构及原理图；

图2为本发明测量装置一种具体实施方案的光路结构示意图；

图3为斯托克斯椭偏仪结构及光路示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和实施例子――本装置在斯托克斯椭偏仪中的应用，进一步说明本发明装置结构及其仪器矩阵的优化方法与过程，但本发明的实施和保护不限于此。

如附图1所示,为一种偏振光斯托克斯参量的测量装置的光路结构和原理图，入射光经过分束器1后通常分为两束光,即透射光及反射光;在透射光路和反射光路上各引入一块用于位相调制的波片（第一波片2和第二波片3）;透射光路依次放置用于位相调制的第一波片2、第一分光器件4、第一光电探测器6、第二光电探测器7；反射光路与透射光路类似，依次放置用于位相调制的第二波片3、第二分光器件5、第三光电探测器8、第四光电探测器9。其中波片的方位角与所用分光器件的椭偏参数紧密相关。入射光经分束器、波片，再次分光后入射到四个探测器上，探测器输出的光强信号经数据采集卡传至电子计算机进行数据处理。该测量装置的仪器矩阵可通过调节波片方位角实现优化。利用多个（四个或四个以上）Stokes参数已知的偏振光束依次入射到测量装置中，可实现仪器矩阵的测量或定标。

本发明使用的分光器件（1、4、5）的可选择性较多，如普通镀膜分光平面镜，偏振镀膜分光棱镜，沃拉斯顿棱镜、三棱镜及契形棱镜等。波片可以选择云母、石英灯或液晶等材料做成的器件。第一波片2和第二波片3的位相延迟量可以选择不同，有多种可能的组合。选用常见的二分之一波片与四分之一波片相互组合，也可实现仪器矩阵的最优化。还可以采用二分之一波片（第一波片2）与四分之一波片（第二波片3）组合、二分之一波片与二分之一波片组合、四分之一波片与四分之一波片组合、或者四分之一波片与其不同位相延迟量的波片组合，二分之一波片与其不同位相延迟量的波片组合等。

由前述优化方法可知，选定分光器件以及探测器后，为某一定值，影响ABS的主要参数仅有、，波片相位延迟量确定后，、的参数此时主要由两块波片的方位角所决定，因此仪器矩阵的优化程度取决于波片方位角的取值。

通过以上分析，本发明的测量装置可以采用如下两种优化方法。

优化方法1：

实测法确定波片最佳方位角：选定分光器件和波片后，通过旋转波片，改变其方位角，并测量记录在不同方位角下，实测仪器矩阵的ABS的大小。ABS可采用E-P法、四点在位定标法或是多点定标法实测并计算获得。ABS取得最大值时所对应的方位角为波片的最佳方位角。

优化方法2：

模拟法确定波片最佳方位角：选定分光器件和波片的种类后，采用消光式椭偏仪测量分光器件（1、4、5）的椭偏参数，将其和波片的延迟量参数带入公式（3）推导ABS的表达式。固定其中一块的波片的方位角，采用数值模拟方法，计算ABS随另一块波片方位角的变化曲线，曲线上最大值所对应的横坐标为波片的最佳方位角。

在附图2中，分束器1采用普通镀膜分光棱镜，第一波片2取近似二分之一波片，第二波片3取近似四分之一波片，第一分光器件4采用沃拉斯顿棱镜，第二分光器件5也采用沃拉斯顿棱镜，6、7、8、9为光电探测器，图中还包括第一波片旋转器10、第二波片旋转器11，棱镜固定架（12、13、14），15为入射光孔，16为基准孔。其中普通镀膜分光棱镜采用的是大恒光电公司生产的GCC-401021型号。沃拉斯顿棱镜采用的是大恒光电公司生产的GCC-402032型号。光电探测器（6、7、8、9）为光伏探测器，选用美国AnOSISystemsCompany生产的PIN-13DP光电二极管。第一波片2和第二波片3分别可选用云母或石英等材质的二分之一波片及四分之一波片。第一波片旋转器10和第二波片旋转器11的精度为2°。入射光孔15与基准孔16的直径约为2-3mm。在附图2中，所有的器件都被安置在一个小黑箱17内，所述箱体是密不透光，箱体内表面是黑色的，黑箱子尺寸约为15*7*13（cm），箱体前后部有开口。

图3是斯托克斯椭偏仪仪器矩阵测量和样品测量的装置图，图中包括：氦氖激光器18为，偏振片19，样品台20，标准薄膜片或样品薄膜片21。其中激光器的波长为632.8nm，偏振片起偏角可调，旋转精度为0.5°。样品台为可控升降台面，其高度和水平倾斜角皆可调。

本实施例子提供的装置可用于测量偏振光的斯托克斯参数及薄膜样品的折射率及厚度，其中测量装置的装配和测量过程通过以下步骤实现：

（1）分束器1即分光棱镜的安装：激光从入射光孔15垂直入射到箱内，从基准孔16射出，放入分光棱镜1，此时分光棱镜的位置应能保证透射光路的出射光也从基准孔射出，用棱镜固定架12将其固定，并将反射光路的出射光点在箱子上的位置作上标记S。

（2）沃拉斯顿棱镜（第一分光器件4、第二分光器件5）的安装：与分光棱镜的安装类似，放入第一沃拉斯顿棱镜后，调节其位置，使透射光路的出射光能顺利通过基准孔。同样，放入第二沃拉斯顿棱镜后，反射光路出射光点仍位于S处。确定棱镜位置后，采用固定架（13、14）分别将两块棱镜固定。

（3）采用模拟法寻找波片最佳方位角。波片最佳方位角的确定及安装具体步骤如下：

第一步：采用HST型消光式椭偏仪测量镀膜分光棱镜的透射椭偏参数以及反射椭偏参数，第一沃拉斯顿棱镜和第二沃拉斯顿棱镜传输矩阵已知。

第二步：波片的选定。测量得到第一波片2和第二波片3的相位延迟量分别为84.7°和162.2°。

第三步：将各棱镜椭偏参数以及波片的相位延迟量带入公式（3）进行模拟分析，求解得到多组最佳方位角，选取其中一组，即第一波片2及第二波片3的最佳方位角分别为（180°，225°）。

第四步：将第一波片2和第二波片3分别装入波片旋转架（10、11），并旋转至最佳方位角位置后固定。

第五步：探测器的安装。分别调节四个光电探测器的位置，使四个入射光点分别位于四个探测器的中央位置，并将探测器与数据采集卡连接。

（4）仪器矩阵的测量及标定。采用四点定标法测量***最优化状态的仪器矩阵大小。使用厚度分别为57.3nm.、199.3nm、86.0nm、9.5nm且折射率为1.46的Si衬底SiO₂标准薄膜片进行定标，激光器预热半小时后，将四块标准薄膜片依次按顺序放置在样品台20上，氦氖激光器发出激光通过起偏器即19-偏振片（位于45°方位角）后，以70°入射角的线偏振光入射到样品上，对经样品反射后的四束光线进行测量，并用labview自动采集程序相应记录下所采集到的四路电流信号。挡住入射光孔15，获取一组探测器暗电流信号,则,根据公式（1）求解仪器矩阵D，并保存。

至此，已完成了斯托克斯椭偏测量仪器***的最优化并实现装置仪器矩阵的标定。如把一块未知参数的薄膜样品置于样品台上，采集到的电流信号代回公式（3），计算得到经样品反射后的偏振光的Stokes参数S，进而根据椭偏方程求出薄膜的折射率及厚度等参数。

表1为利用本发明装置及仪器矩阵优化方法研制的斯托克斯椭偏测量仪得到的测量结果。实验表明：***实验稳定性好，测量精度高，样品适应性强。

表1北京大学标准薄膜片的实验测量结果

标准样品			n	d（nm）
					1薄膜（n=1.46，d=100nm）	79.01°	41.42°	1.463±0.003	100.1±0.2

本发明专利有多种具体的实施方案。因此，只要在分振幅偏振光斯托克斯参数的测量装置中，分别在两束光路中引进两块波片，通过旋转波片的方位角实现***仪器矩阵的最优化的技术方案及测量装置，都属于本专利的保护范围。

Claims (4)

1.一种偏振光斯托克斯参量的测量装置，其特征在于包括将入射光分为透射光及反射光的分束器，在透射光路还依次包括用于位相调制的第一波片、实现偏振分光的第一分光器件和分别接收经第一分光器件分光后的两束光的第一光电探测器与第二光电探测器；在反射光路上还依次包括用于位相调制的第二波片、实现偏振分光的第二分光器件和分别接收经第二分光器件分光后的两束光的第三光电探测器与第四光电探测器；四个光电探测器的光强信号输出端通过数据采集卡与用于对数据进行处理的电子计算机连接；第一波片位相延迟量与第二波片的位相延迟量的组合包括：二分之一波片与四分之一波片组合、四分之一波片与二分之一波片组合、二分之一波片与二分之一波片组合、四分之一波片与四分之一波片组合、四分之一波片与其不同位相延迟量的波片组合或二分之一波片与其不同位相延迟量的波片组合；所述透射光和反射光为两束偏振态不同的偏振光，透射光垂直入射到第一波片上，反射光垂直入射到第二波片上，第一分光器件、第二分光器件进一步将所述两束偏振态不同的偏振光变成四束偏振光，四束偏振光经四个光电探测器后产生相应的电流信号；所述第一波片、第二波片的方位角可调，调节两块波片的方位角至最佳方位角，能使仪器矩阵最优化，通过定标求解出仪器矩阵后，将待测光所引起的电流信号进行计算求解，实现入射光斯托克斯参量的实时测量。

2.用于优化权利要求1所述一种偏振光斯托克斯参量的测量装置的方法，其特征在于采用实测法，具体过程为：在测量装置的光路结构确定及各光学元件选定的条件下，通过调节第一波片、第二波片的方位角实现优化，即通过实际测量不同方位角下测量装置的仪器矩阵的行列式大小，获得矩阵行列式的大小与波片方位角的关系曲线进而确定当仪器矩阵最大时所对应的波片最佳方位角，实现测量装置的仪器矩阵最优化；其中固定两块波片中一块的方位角，采用数值模拟方法，计算仪器矩阵行列式随另一块波片方位角的变化曲线，曲线上最大值所对应的横坐标为另一块波片的最佳方位角。

3.用于优化权利要求1所述一种偏振光斯托克斯参量的测量装置的方法，其特征在于采用模拟法，具体过程为：利用光学测量仪器或设备，实际测量所述测量装置的光路中所有分光元件的椭偏参数，得到单个分光元件的矩阵表达式，并计算测量装置的仪器矩阵，对测量装置的仪器矩阵及其行列式进行数值模拟及分析，得到仪器矩阵最大时所对应的波片最佳方位角，实现测量装置仪器矩阵的最优化。

4.根据权利要求2或3所述方法，其特征在于：

设入射光的斯托克斯参量为S(S₀，S₁，S₂，S₃),令T、R分别表示分束器的透射矩阵和反射矩阵，T₁、R₁为第一分光器件的透射矩阵和反射矩阵，T₂、R₂为第二分光器件的透射矩阵和反射矩阵，d₁为光电探测器的光电转换系数，M_t、M_r分别为透射光路以及反射光路中第一波片和第二波片的传输矩阵，则四个光电探测器所产生的电流信号分别表示为：

第一光电探测器：I₀＝d₁T₁M_tTS

第二光电探测器：I₁＝d₁R₁M_tTS

第三光电探测器:I₂＝d₁R₂M_rRS

第四光电探测器:I₃＝d₁T₂M_rRS，

令D代表整个测量装置的仪器矩阵，I代表各光电探测器电流信号所组成的电流矩阵，则

I＝D·S(1)，

仪器矩阵D通过定标方法求出，若仪器矩阵D存在可逆矩阵D^-1,那么待测光线的斯托克斯矢量为

S＝D^-1·I(2)，

已知测量装置的仪器矩阵，通过探测的电信号矢量确定任意光线的斯托克斯矢量；

令ABS＝|det(D)|

ABS＝f(T，R，T₁，R₁，T₂，R₂，d₁，M_r，M_t)(3)，

其中，det表示对矩阵求行列式，通过对波片方位角调整来使行列式绝对值ABS最大化，实现仪器矩阵的最优化。