椭偏测量系统

本发明涉及光学测量领域，特别涉及椭偏测量系统。

背景技术：

1、对于常温下折射率测量，目前已有很多高精度且成熟的技术方法，例如椭圆偏振法、棱镜耦合法、干涉法、透射谱/反射谱法。

2、椭圆偏振法是最为常见且已经商业化的折射率测量方法，其通过测量样品反射前后偏振光相位、幅度的变化，来得到待测材料的介电性质（复数折射率或介电常数）。椭偏技术的优势在于其测量精度高，对样品无接触、无破坏性，可测量体材料、薄膜材料的光学参数。棱镜耦合法是通过在薄膜样品表面放置一块耦合棱镜，测量入射的光耦合到薄膜的角度来确定材料的光学参数，该方法只要求角度测量，测量方便，精度较高。干涉法利用相干光通过薄膜材料干涉形成等厚干涉条纹，来确定薄膜材料的光学参数。该方法可以适用于透明样品、弱吸收样品和非透明样品，但不能同时获得厚度和折射率数据，干涉对比度低，光路复杂且要求精度很高。透射谱/反射谱法通过测试宽谱光源通过薄膜的透射率曲线或反射率曲线来计算得到折射率或厚度，两者不能同时得到，原理简单，但对薄膜样品质量要求较高。但是上述方法均不能对低温（～4k）的样品进行探测。

3、iii-v族半导体材料目前在各种光子结构、光电子器件等领域具有重要应用，例如垂直腔表面发射激光器（vcsels）、发光二极管（led）、高反射率低损耗性能的半导体晶体膜等。特别是对于一些先进的量子器件，为了保证高的相干性，它们需要工作在低温环境，例如固态单量子发射器（量子点、单色心）需要工作在4k或更低的温度环境，来抑制声子造成的退相干过程；基于量子点与光学微腔强耦合效应的超快全光开关需要也需要工作在相近的温度范围。重要的是，为了确保器件能发挥出最优的性能，我们需要知道相关材料精确的折射率。然而部分材料低温下折射率数据的缺失阻碍了我们设计精密的光学器件。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种椭偏测量系统，该椭偏测量系统能够实现在低温条件下对待测样品进行检测。

2、根据本发明的实施例，作为本发明的一个方面，提供了一种椭偏测量系统，包括：

3、恒温机构，适用于放置待测样品且将待测样品的温度保持在恒温状态；

4、位移台，被构造为能够沿着不同方向伸缩；

5、入射机构，安装在位移台上，适用于使第一线偏振光入射至待测样品上，以使第一线偏振光在待测样品上发生反射，得到椭圆偏振光；

6、收光机构，安装在位移台上，适用于将椭圆偏振光转换成圆偏振光；

7、探测机构，安装在位移台上，适用于将聚焦激光入射至待测样品的表面，并且适用于获取聚焦激光在待测样品表面上的聚焦状态，以及适用于对圆偏振光进行探测，以得到待测样品的光学参数；

8、其中，响应于聚焦激光在待测样品表面上的聚焦状态发生变化，位移台发生伸缩，以对待测样品的位置进行校正，从而使第一线偏振光入射至待测样品上的位置保持不变。

9、根据本发明的实施例，探测机构包括：

10、第一分束镜，适用于透过外部的探测激光；

11、第二分束镜，适用于再次透过探测激光；

12、物镜，适用于使探测激光聚焦，得到聚焦激光，并使聚焦激光入射至待测样品的表面，物镜还适用于接收并放大待测样品反射的聚焦激光，反射后的聚焦激光经第二分束镜分为透射激光和第一反射激光，透射激光经第一分束镜后得到第二反射激光；

13、成像装置，适用于对第一反射激光进行成像；

14、光谱仪，适用于探测第二反射激光的强度；

15、其中，第一反射激光成的像和第二反射激光的强度适用于判断聚焦激光在待测样品表面上的聚焦状态，光谱仪还适用于对圆偏振光进行探测，以得到待测样品的光学参数。

16、根据本发明的实施例，探测机构还包括：

17、第一光纤，适用于将外部的探测激光传输至第一分束镜；

18、第一光纤准直器，设置在光纤和第一分束镜之间，适用于对探测激光进行准直；

19、第二光纤准直器，适用于对第二反射激光进行准直后输入至光谱仪。

20、根据本发明的实施例，恒温机构包括：

21、外壳，其内部形成一容置空间，外壳上还设置有玻璃窗口，玻璃窗口适用于使第一线偏振光进入容置空间中，并入射至待测样品上，同时使椭圆偏振光自容置空间中出射；

22、第一电机，安装于容置空间中，第一电极上放置有待测样品，第一电机适用于驱动待测样品在第一方向发生移动；

23、第二电机，适用于驱动待测样品在第二方向发生移动，其中，第一电机设置在第二电机上；

24、冷头以及附着在冷头表面的加热器，适用于调节容置空间内的温度；

25、其中，第一方向和第二方向垂直。

26、根据本发明的实施例，入射机构包括：

27、第二光纤，适用于输入外部的入射光；

28、第三光纤准直器，适用于对入射光进行准直；

29、第一偏振片，适用于使准之后的入射光转换为第一线偏振光。

30、根据本发明的实施例，收光机构包括：

31、第二偏振片，适用于将椭圆偏转光转换为第二线偏振光；

32、四分之一波片，适用于将第二线偏振光转换为圆偏振光；

33、第四光纤准直器，适用于对圆偏振光进行收光。

34、根据本发明的实施例，光学参数包括待测样品的折射率和消光系数。

35、根据本发明的实施例，利用探测机构对圆偏振光进行探测，得到待测样品的光学参数的过程包括：

36、将第二偏振片的光轴旋转多次，得到多个离散的第二偏振片角度，第二偏振片角度为第二偏振片的光轴和第一线偏振光的入射面的夹角；

37、利用探测机构对每个第二偏振片角度对应的圆偏振光的强度进行探测，得到多个离散的圆偏振光的强度；

38、根据多个离散的第二偏振片角度、多个离散的圆偏振光的强度、有无玻璃窗口时椭圆偏振光的偏振方向的变化和第一偏振片的光轴与入射面的夹角得到振幅反射比和相位差，其中，振幅反射比为待测样品对 p偏振光的反射系数和对 s偏振光的反射系数的幅值之比，相位差是指待测样品反射的 s偏振光和偏振光之间的相位差；

39、根据振幅反射比、以及相位差得到待测样品的折射率和消光系数。

40、根据本发明的实施例提供的恒温机构能够使样品的温度处于恒温状态下，在恒温机构的温度发生变化时，待测样品会发生变化，本发明实施例提供的探测机构能够探测待测样品表面上的聚焦状态，位移台根据聚焦状态发生移动，进而保证第一线偏振光入射至待测样品上的位置保持不变，实现待测样品的光学参数的探测。

技术特征：

1.一种椭偏测量系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的椭偏测量系统，其特征在于，所述探测机构包括：

3.根据权利要求2所述的椭偏测量系统，其特征在于，所述探测机构还包括：

4.根据权利要求1所述的椭偏测量系统，其特征在于，所述恒温机构包括：

5.根据权利要求4所述的椭偏测量系统，其特征在于，所述入射机构包括：

6.根据权利要求5所述的椭偏测量系统，其特征在于，所述收光机构包括：

7.根据权利要求6所述的椭偏测量系统，其特征在于，所述光学参数包括所述待测样品的折射率和消光系数。

8.根据权利要求7所述的椭偏测量系统，其特征在于，利用所述探测机构对所述圆偏振光进行探测，得到所述待测样品的光学参数的过程包括：

技术总结
一种椭偏测量系统，包括恒温机构、位移台、入射机构、收光机构、和探测机构。恒温机构，适用于放置待测样品且将待测样品的温度保持在恒温状态；位移台，被构造为可以沿着不同方向伸缩；入射机构，安装在位移台上，适用于使第一线偏振光入射至待测样品上，以使第一线偏振光在待测样品上发生反射，得到椭圆偏振光；收光机构，安装在位移台上，适用于将椭圆偏振光转换成圆偏振光；探测机构，安装在位移台上，适用于将聚焦激光入射至待测样品的表面，以及获取聚焦激光在待测样品表面上的聚焦状态，以及适用于对圆偏振光进行探测，以得到待测样品的光学参数。

技术研发人员：霍永恒,蒋国秋,刘润泽,潘建伟
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12