[发明专利]基于单弹光调制自反馈的超高速椭偏精确测量装置及方法

说明书

本发明属于椭偏精确测量装置及方法技术领域，具体涉及一种基于单弹光调制自反馈的超高速椭偏精确测量装置及方法，所述光源的光路方向上依次设置有起偏器、四分之一波片、被测样品，所述被测样品的反射光路上依次设置有弹光调制器、检偏器、探测器，所述弹光调制器电性连接有弹光调制器驱动控制及多路数字锁相放大电路。本发明通过对单个弹光调制调制后的光电信号进行多倍频信号锁相放大，以弹光调制器驱动频率为参考，获得一倍频、二倍频、三倍频、四倍频的信号幅值，结合理论计算实时获得两个弹光调制器自身长期工作温度影响及环境影响导致调制相位幅值，进而实现被测样品的椭偏参数Δ和Ψ的精确测量。

技术领域

本发明属于椭偏精确测量装置及方法技术领域，具体涉及一种基于单弹光调制自反馈的超高速椭偏精确测量装置及方法。

背景技术

随着我国微电子、光学镀膜、半导体、平板显示等技术发展，高精度椭偏薄膜技术成为该领域检测的重要手段，具有非接触无损和高精度的优点。但现有椭偏多采用机械旋转方式，导致时间分辨率低(秒级)，无法满足高速在线原位检测的测量需要。

弹光调制器(Photoelastic modulator,PEM)是一种基于光学双折射晶体材料弹光效应的高速相位调制器件，由于具有无机械振动影响、入射角较大、调制频率高、损耗小、波段范围宽(可从真空紫外到远红外)等优点，对光学偏振测量领域都产生了积极的推动作用，是弹光调制器在超高速椭偏中具有潜在的应用前景。但传统的弹光调制椭偏测量由于相位延迟幅值长期稳定性差，导致椭偏测量精度下降，无法在高速在线检测中使用。为此，提出一种基于单弹光调制自反馈的超高速椭偏精确测量方法。

发明内容

针对上述现有弹光调制椭偏测量中相位延迟幅值无法精确控制，导致椭偏测量精度下降的技术问题，本发明提供了一种基于单弹光调制自反馈的超高速椭偏精确测量装置及方法，采用单弹光调制结合锁相调制后光信号不同频率信号，实时获得弹光调整器的相位延迟幅值，实现弹光调制器相位延迟幅值自反馈，进而通过计算精确获得椭偏参量。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

基于单弹光调制自反馈的超高速椭偏精确测量装置，包括光源、起偏器、四分之一波片、被测样品、弹光调制器、检偏器、探测器、弹光调制器驱动控制及多路数字锁相放大电路和计算机，所述光源的光路方向上依次设置有起偏器、四分之一波片、被测样品，所述被测样品的反射光路上依次设置有弹光调制器、检偏器、探测器，所述弹光调制器电性连接有弹光调制器驱动控制及多路数字锁相放大电路，所述探测器电性连接有计算机，所述弹光调制器驱动控制及多路数字锁相放大电路与计算机电性连接。

所述起偏器采用0°起偏器，所述四分之一波片采用45°四分之一波片，所述弹光调制器采用0°弹光调制器，所述检偏器采用45°检偏器。

基于单弹光调制自反馈的超高速椭偏精确测量装置的测量方法，包括下列步骤：

S1、光源依次通过起偏器、四分之一波片、被测样品、弹光调制器、检偏器和探测器构成测量光路；

S2、根据弹光调制驱动控制及多路数字锁相放大电路提供的弹光调制驱动信号频率作为参考，数字锁相对探测器获得的调制信号进行锁相放大；

S3、通过计算机数据处理实时获得弹光调制器的相位延迟幅值，进而精确获得被测样品的椭偏参量Δ和Ψ。

所述S3中通过计算机数据处理实时获得弹光调制器的相位延迟幅值的方法为：包括下列步骤：

S3.1、计算被测光的Stokes参量S_out；

S3.2、求出起偏器、四分之一波片、被测样品、弹光调制器和检偏器对应的米勒矩阵；

S3.3、计算探测器探测光强的Bessel函数；

S3.4、计算弹光调制器的任意时刻调制相位延迟幅值。