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橢偏儀 是一種用于探測薄膜厚度、光學常數(shù)以及材料微結(jié)構(gòu)的光學測量儀器。由于測量精度高，適用于超薄膜，與樣品非接觸，對樣品沒有破壞且不需要真空，使得橢偏儀成為一種很有吸引力的測量儀器。
橢偏儀的基本光學物理結(jié)構(gòu)
已知入射光的偏振態(tài)，偏振光在樣品表面被反射，測量得到反射光偏振態(tài)(幅度和相位)，計算或擬合出材料的屬性。
入射光束(線偏振光)的電場可以在兩個垂直平面上分解為矢量元。P平面包含入射光和出射光，s平面則是與這個平面垂直。類似的，反射光或透射光是典型的橢圓偏振光，因此儀器被稱為橢偏儀。關(guān)于偏振光的詳細描述可以參考其他文獻。在物理學上，偏振態(tài)的變化可以用復(fù)數(shù)ρ來表示:其中，ψ和?分別描述反射光p波與s波振幅衰減比和相位差。P平面和s平面上的Fresnel反射系數(shù)分別用復(fù)函數(shù)rp和rs來表示。rp和rs的數(shù)學表達式可以用Maxwell方程在不同材料邊界上的電磁輻射推到得到。
其中?0是入射角，?1是折射角。入射角為入射光束和待研究表面法線的夾角。通常橢偏儀的入射角范圍是45°到90°。這樣在探測材料屬性時可以提供很好的靈敏度。每層介質(zhì)的折射率可以用下面的復(fù)函數(shù)表示
通常n稱為折射率，k稱為消光系數(shù)。這兩個系數(shù)用來描述入射光如何與材料相互作用。它們被稱為光學常數(shù)。實際上，盡管這個值是隨著波長、溫度等參數(shù)變化而變化的。當待測樣品周圍介質(zhì)是空氣或真空的時候，N0的值通常取1.000。
通常橢偏儀測量作為波長和入射角函數(shù)的ρ的值(經(jīng)常以ψ和?或相關(guān)的量表示)。一次測量完成以后，所得的數(shù)據(jù)用來分析得到光學常數(shù)，膜層厚度，以及其他感興趣的參數(shù)值。
可以用一個模型(model)來描述測量的樣品，這個模型包含了每個材料的多個平面，包括基底。在測量的光譜范圍內(nèi)，用厚度和光學常數(shù)(n和k)來描述每一個層，對未知的參數(shù)先做一個初始假定。很簡單的模型是一個均勻的大塊固體，表面沒有粗糙和氧化。這種情況下，折射率的復(fù)函數(shù)直接表示為:
但實際應(yīng)用中大多數(shù)材料都是粗糙或有氧化的表面，因此上述函數(shù)式常常不能應(yīng)用。
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