消光-光度兼容的椭圆偏振仪制作方法

吴启宏

1988年1月6日

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椭圆偏振 消光 兼容 光度 制作

1.一种含有一个起偏器、一个1/4波片、一个检偏器和一个光电倍增管的消光--光度兼容的椭圆偏振仪，其特征在于采用一个布置在入射光路中的可由伺服电机带动旋转的1/4波片[Q]，作为光度式仪器测量时允许起偏器[P]和检偏器[A]方位调整范围为±(10°～80°)2.按照权利要求1所述的椭圆偏振仪，其特征在于作为光度式仪器测量时，起偏器〔P〕和检偏器〔A〕的方位最佳位置为±45°

常用的椭圆偏振仪为单制式的椭圆偏振仪，即消光式椭圆偏振仪和光度式椭圆偏振仪消光式椭圆偏振仪主要采用PQSA结构，测量偏振参数△、ψ值的准确度高，误差可小于0.005°，但测量速度慢，一般为数分钟至10多分钟光度式椭圆偏振仪，如比利时BE280475专利所报导的偏振仪，常含有旋转元件，具有测量速度快的优点，测量时间为1秒以下，其缺点是测量的准确度低，偏振参数△、ψ测量误差为0.05°或更低1985年 Rev.Sci Instru.v56(11)PP1995报导了一种采用旋转偏振器的消光-光度兼容的椭圆偏振仪，该仪器的结构是以样品表面为反射面，入射光的一侧布置一个起偏器，一个 1/4 波片和一个法拉弟调制器Ⅰ，反射光的一侧布置一个检偏器，一个光电倍增管和一个法拉弟调制器Ⅱ其起偏器和 1/4 波片安装在一个可调方位的度盘上，检偏器安装一个带有编码器的度盘上，该度盘的方位调节采用伺服电机驱动，同时还可用手动测定偏振参数△和ψ时，光束依次通过起偏器、1/4波片、法拉弟调制器Ⅰ，经待测样品表面反射，通过法拉弟调制器Ⅱ、检偏器后到达光电倍增管，并由电子计算机作数据处理当1/4波片方位固定于45°，起偏器和检偏器的方位由手动调节达到消光时，该仪器便成为PQSA结构，可作为消光式椭圆偏振仪使用若将法拉弟调制器Ⅰ、Ⅱ退出光路，1/4波片固定在0°或90°，用伺服电机驱动的检偏器以0.75转/秒转速转动，由电子计算机分析数据测定偏振参数△、ψ值，则该仪器具有光度式椭圆偏振仪的功能这种旋转检偏器的消光-光度兼容的椭圆偏振仪的缺点是1、利用检偏器处于旋转状态下测定偏振参数△值在△＝0附近测量△值时，其误差比单制式的光度式椭圆偏振仪增大10～20倍，且一次测量无法确定△值的正负号原因是偏振参数△的正负取决于偏振光是右旋还是左旋，利用偏振器旋转时，实际上是观察椭圆偏振光在各个偏振方向的光强，所以无法分辨其旋转方向在△＝0(线偏光)附近，△值的增加将使椭圆偏振光短轴光矢量增加，但当旋转偏振器转至短轴方向附近时，光信号极易受到光强度大几十倍的长轴分量在该检偏器方向上投影的干扰，故此时测量△的精度很差2、测量偏振参数△值时，须将法拉弟调制器Ⅰ、Ⅱ退出光路，给操作造成不便本发明的任务在于设计一种能精确测定偏振参数△值，且操作方便的消光-光度兼容式的椭圆偏振仪图面说明图1为本发明的消光-光度兼容式的椭圆偏振仪的结构示意图图中P-起偏器，Q-1/4波片，A-检偏器，D-光电倍增管，S-待测样品，J-电子计算机处理器以下结合本发明的具体内容，但发明的内容不限于如图1所示，以样品〔S〕的表面为反射面，入射光束和反射光束构成V字型光路，入射角为60°或70°，在入射光的一侧布置一个带方位度盘的起偏器〔P〕、一个可由伺服电机带动连续转动或以手动调整至某一固定方位的1/4波片〔Q〕，反射光的一侧布置一个带有相位度盘的检偏器〔A〕和一个光电倍增管〔D〕以及一个同光电倍增管〔D〕相连接的微型电子计算机数据处理器〔J〕光束通过起偏器〔P〕、1/4波片〔Q〕，经待测样品〔S〕表面反射后，通过检偏器到达光电倍增管〔D〕当1/4波片〔Q〕定位于±45°，以手动调节起偏器〔P〕和检偏器〔A〕的方位消光，作偏振测量时本仪器具有同单制式的消光式椭圆偏振仪相同的功能当起偏器〔P〕和检偏器〔A〕在±(10°～80°)范围内定位，其最佳位置为±45°，令1/4波片〔Q〕快速旋转，此时仪器具有同单制式的光度式椭圆偏振仪相同的功能由光电倍增管〔D〕输出的信号随1/4波片〔Q〕的转动呈周期性变化，对该信号进行付里叶分析求出各次谐波分量的大小，从中求出斯托克斯参量S1、S2、S3，即可换算成为偏振参数△和ψ，整个演算过程由微型电子计算机处理器〔J〕执行并作快速数字显示本仪器在测定偏振参数△值时，之所以具有同单制式的旋转波片的光度式椭圆偏振仪(如BE280475)有相同的精度，其原因在于旋转1/4波片〔Q〕对光束产生位相调制作用，在测量时能得到斯托克斯参量S3的值，而S3与Sin△成正比，故能唯一地确定△值的正负号其次，旋转1/4波片〔Q〕时，即使△＝0，则光强对△的导数也不为0，由此表明，只要偏振参数△稍有变化，光强即有相应的变化，所以根据光强值的变化量来计算△时，不会出现△测量精度下降的情况，由此克服已有的旋转检偏器的兼容式椭圆偏振仪存在的一大缺陷本发明兼容式椭圆偏振仪同已有的同类仪器比较，具有如下优点1、测量偏振参数△值准确度高作为光度式椭圆偏振仪使用时，能测出△值的正负号，在测量线偏振光时精度不会下降，这是依靠旋转检偏器的兼容式椭圆偏振仪难以达到的，此时前者的测量在△＝0附近，△的精度比后者高10～20倍2、操作简便两种工作方式变换时，在光路中无需增减任何零件，只需调节有关光学元件方位，故比已有的仪器方便3、对拥有消光式椭圆偏振仪的用户，根据本发明原理，只需添置一个旋转1/4波片〔Q〕，辅以通用的A/D接口和微型计算机，即可使手动的消光式仪器增加快速自动测试功能其改造费用仅为光度式仪器价格的20%，并且继续保持原有的高的测量准确度实施例如图1所示，光源采用1mw的氦氖激光器，样品〔1〕表面入射光束的入射角为70°，起偏器〔P〕采用通光口径为φ20mm的薄膜偏振片，装在精度为0.01°的度盘上，1/4波片〔Q〕由云母剥成，用小型伺服电机通过蜗轮蜗杆带动旋转，转速为1转/秒检偏器〔A〕采用通光口径为φ20mm薄膜偏振片，装在精度为0.01°的度盘上光电倍增管〔D〕采用GDB-230型，计算机采用Apple-Ⅱ把1/4波片〔Q〕的转轴利用消光原理定位于45°方位，测量时用手动调节起偏器〔P〕和检偏器〔A〕的方位达到消光，从度盘得到偏振参数△、ψ的值，此时为消光式工作状态把起偏器〔P〕和检偏器〔A〕定位于45°方位，驱动1/4波片〔Q〕，每旋转1周，计算机显示一次△、ψ值，此时为光度式工作状态被测样品〔S〕的表面为空白或镀有多层膜，其尺寸为φ30×5mm，用Kq玻璃制成对3种实际样品的偏振参数△、ψ的测量值如下