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175-200nm波長(zhǎng)范圍的光學(xué)性能是應(yīng)用于深紫外光學(xué)器件的關(guān)鍵指標(biāo)，特別是190-200nm的偏振參數(shù)，將直接影響增大數(shù)值孔徑后成像的質(zhì)量，偏振參數(shù)的高精度檢測(cè)是對(duì)其成像質(zhì)量進(jìn)行有效調(diào)控的前提。

本文主要介紹采用珀金埃爾默紫外/可見(jiàn)/近紅外光譜儀、自動(dòng)消偏起偏整合偏振系統(tǒng)、TAMS可變角度測(cè)試附件，測(cè)試樣品不同角度下絕對(duì)反射率、透射率數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)190nm-2500nm自動(dòng)變角度透射反射偏振光學(xué)性能的精確表征。

光是一種電磁波，是典型的橫波，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向與光的傳播方向垂直。

圖1 光的電磁波特性示意圖

當(dāng)光線以非垂直角度照射光學(xué)元件的表面時(shí)，反射光特性依賴于偏振現(xiàn)象。這種情況下，使用的坐標(biāo)系是用含有輸入和反射光束的那個(gè)平面定義的。如果光線的偏振矢量在這個(gè)平面內(nèi)，則稱為P-偏振，如果偏振矢量垂直于該平面，則稱為S-偏振。任何一種輸入偏振狀態(tài)都可以表示為P和S分量的矢量和。

圖2 偏振光方向?qū)τ诜瓷浔砻娴娜肷涔馄矫娑x

根據(jù)菲涅爾方程可計(jì)算出不同折射率材料的布魯斯特角（通常稱為偏振角 ），光線入射角小于布魯斯特角時(shí)，入射角越接近材料的布魯斯特角，通常P-偏振和S-偏振分量的分化越明顯。下面將主要討論偏振對(duì)材料透過(guò)率和反射率測(cè)試的影響。

（一）總透過(guò)率/反射率測(cè)試

考慮目前經(jīng)典分光光度計(jì)結(jié)構(gòu)，一般采用反射光柵設(shè)計(jì)，設(shè)備內(nèi)部有多個(gè)光學(xué)反射鏡，測(cè)試光照射到待檢測(cè)樣品前，測(cè)試光的偏振分量已發(fā)生部分分化。當(dāng)測(cè)試大角度（一般指大于15度）的透射和反射時(shí)，在樣品的測(cè)試界面，P-偏振和S-偏振分量加大，會(huì)導(dǎo)致同一樣品多次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果不一致，需要修正P-偏振和S-偏振的影響。

圖3 P-偏振和S-偏振分量的分化

修正的方式有兩種，一種是將測(cè)試光先經(jīng)過(guò)起偏器，轉(zhuǎn)動(dòng)起偏器分別生成P偏振光和S偏振光，分別照射樣品，將得到的測(cè)試結(jié)果相加再做除法,得到樣品不同角度的透過(guò)率或反射率：

透過(guò)率或反射率=（P偏振光+S偏振光）/2

以上修正方式需要測(cè)試兩次樣品，在降低測(cè)試效率的同時(shí)，會(huì)將每一次的測(cè)量誤差帶入測(cè)量結(jié)果。對(duì)于具有各向異性的偏振樣品測(cè)試，無(wú)法做到照射到樣品前的P偏振光和S偏振光分量強(qiáng)度一致，消偏比測(cè)試將增加極大的不確定性。

另一種修正方式是，在設(shè)備光束出射前，加入消偏裝置，將發(fā)生部分偏振光分化的測(cè)試光，重新變?yōu)楦黜?xiàng)同性的圓偏光，任意方向的偏振分量保持恒定的大小。這樣就可以直接測(cè)試不同角度的透射或反射率數(shù)據(jù)，更有利于消偏比等檢測(cè)項(xiàng)目。

圖4 圓偏振光示意圖

圖5 軟件控制主光束消偏器

（二）P偏振光和S偏振光下的透過(guò)率反射率測(cè)試

樣品需要測(cè)試P偏振光和S偏振光分量下的透過(guò)率和反射率時(shí)，為了P偏振光和S偏振光測(cè)試的準(zhǔn)確性，一般建議將測(cè)試光先通過(guò)消偏裝置，將發(fā)生部分偏振光分化的測(cè)試光，變?yōu)楦飨蛲缘膱A偏光，再經(jīng)過(guò)起偏裝置，起偏后的線偏振光照射樣品，到達(dá)檢測(cè)器完成檢測(cè)。

圖6 P偏振光和S偏振光下的透過(guò)率反射率測(cè)試

對(duì)于各向同性材質(zhì)的偏振樣品，一般無(wú)需考慮入射光起偏裝置的偏振方向與樣品的偏振方向是否重合。

對(duì)于常用的各向異性材質(zhì)的偏振樣品（例如偏光膜、石英、紅寶石、方解石、a-BBO等），測(cè)試樣品的P偏振光和S偏振光下的透過(guò)率反射率，需要考慮樣品放置的偏振方向問(wèn)題。因?yàn)樵谖礃?biāo)示出樣品偏振方向的情況下，P偏振光或S偏振光照射樣品，不能剛好做到測(cè)試光方向與樣品的偏振方向水平或垂直，得到偏振測(cè)試的最大值和最小值，也是不能達(dá)到消偏比測(cè)試要求的原因之一。這時(shí)需要固定樣品位置，自動(dòng)旋轉(zhuǎn)起偏驅(qū)動(dòng)器，找到偏振測(cè)試最大值和最小值所對(duì)應(yīng)的角度，即樣品的偏振方向角，再完成樣品的P偏振光和S偏振光下的透過(guò)率反射率測(cè)試。

圖7 自動(dòng)旋轉(zhuǎn)角度起偏驅(qū)動(dòng)器

由于光學(xué)起偏材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制，普通用于分光光度計(jì)的起偏材料，一般有效工作波長(zhǎng)范圍220-2600nm。用于200nm以下波長(zhǎng)測(cè)試的偏振材料，需要特殊設(shè)計(jì)和加工。以下是一種新型可用于200nm以下深紫外區(qū)的起偏晶體，193nm處消偏比大于10000:1，與分光光度計(jì)配套使用，有效工作波長(zhǎng)范圍190-2600nm。

圖8 起偏晶體P偏振光和S偏振光下的透過(guò)率曲線

配合TAMS絕反變角度透射反射附件，可以方便快捷的測(cè)試樣品不同角度下透射反射數(shù)據(jù)，自動(dòng)測(cè)試樣品不同角度下P光和S光下透射率曲線，一次設(shè)置即可完成所有角度在不同偏振態(tài)下透射率曲線測(cè)試，測(cè)試曲線如下圖所示。

圖9 樣品不同角度和偏振態(tài)下透射率測(cè)試數(shù)據(jù)

圖10 石英樣品45度下偏振P光和S光反射數(shù)據(jù)

珀金埃爾默Lambda1050+光譜儀

TAMS絕反變角度透射反射附件光路圖

 圖11  Lambda1050+光譜儀+自動(dòng)消偏起偏整合偏振系統(tǒng)+TAMS可變角度測(cè)試附件

本文總結(jié)

綜上，由Lambda1050+光譜儀、自動(dòng)消偏起偏整合偏振系統(tǒng)、TAMS可變角度測(cè)試附件等幾部分，主要組成的深紫外自動(dòng)變角度透射反射偏振光譜測(cè)試解決方案，具有以下特點(diǎn)：

1) 偏振測(cè)試有效工作波長(zhǎng)范圍：190-2600nm；

2) 消偏裝置：自動(dòng)消偏器，出射光任意方向的偏振分量保持恒定大小，大角度總透射或總反射只需測(cè)試一次；測(cè)試樣品大角度透射反射數(shù)據(jù)，可自由選擇兩種數(shù)據(jù)修正測(cè)試方式；

3) 起偏裝置193nm處消偏比：大于10000:1；

4) 起偏裝置可自動(dòng)以0.25度步進(jìn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，標(biāo)示出樣品的偏振方向；

5) 自動(dòng)變角度透射反射測(cè)試，軟件控制透射反射角度自動(dòng)測(cè)試，透射0°-80°連續(xù)可調(diào)，反射7.5°- 80°連續(xù)可調(diào)，角度分辨率0.01°