穆勒矩阵椭偏测量系统高级参数问题研究

发布时间：2020-06-06 01:28

【摘要】：穆勒矩阵椭偏测量系统(MME)已广泛应用于光电子器件、平板显示、光伏太阳能电池、量子光学、光通讯及生物医药科技等新兴领域中。随着这些新兴领域中的样品测量尺寸越来越小以及测量结构也越来越复杂,对MME的精度要求也越来越高。在各种MME结构中,双旋转补偿器型的穆勒矩阵椭偏测量系统(DRC-MME)由于测量波段宽且精度高,具有更广泛的应用前景。而实现DRC-MME高精度测量的关键在于如何描述系统的非理想因素并进行精确标定。为此,本文引入高级参数这一概念对系统的非理想因素进行分析,并针对DRC-MME高级参数问题开展了深入地研究,旨在分析这些高级参数对DRC-MME测量的影响,并设计方法标定这些高级参数以提高DRC-MME测量精度。基于此,本文的主要研究工作以及创新点包括如下几个部分:第一,对DRC-MME的基本原理进行了分析研究,在此基础上分析了DRC-MME中各元件的非理想因素,并建立了各元件的高级参数模型、光源和光谱仪的偏振相关修正模型,进一步结合系统退偏修正模型,建立了更完整的DRC-MME高级参数模型。为提高DRC-MME系统鲁棒性,基于建立的DRC-MME高级参数模型对系统可调控基本参数进行了优化配置分析。第二,建立了高级参数的误差传递模型,以及随机误差的传递模型。基于系统高级参数误差传递模型,分析了给定测量精度要求下的部分系统高级参数误差容限;通过数值仿真的方法验证了系统高级参数误差传递模型的正确性,并进一步给出了所有系统参数的误差容限。该项工作可为系统的优化设计和参数标定工作提供理论指导。第三,在DRC-MME系统参数标定之前,需对系统中光源和光谱仪的偏振相关系数进行测量。为此提出了一种同时测定光源和光谱仪的偏振相关系数而无须借助于额外的已知偏振特性的宽带光源或光谱仪的方法,并设计实验测量系统对DRC-MME中的光源子系统和光谱仪子系统的偏振相关系数进行了测定,亦验证了这种测量方法的可行性。第四,分析了系统高级参数标定的流程及存在的主要问题,进而建立了新的聚焦透镜高级参数模型以明确其参数之间的相关性。为标定区分内片等效高级参数,提出了一种利用各向异性晶体基底标定聚焦透镜高级参数的方法,并通过数值仿真验证了该方法的正确性。最后通过实验验证了DRC-MME高级参数模型及其标定方法的正确性;通过对比分析各个DRC-MME系统模型的标定拟合结果,说明了DRC-MME高级参数模型及其参数的精确标定确实有效地提高了DRC-MME测量精度。综上所述,本文针对DRC-MME高级参数问题开展研究,对DRC-MME高级参数理论建模、误差传递分析和参数标定等方面涉及的问题进行了深入地研究分析并提出了相应的解决方案。这些研究成果有望进一步丰富我国在高精度穆勒矩阵椭偏仪研制和光学精密仪器测量领域的基础理论,并提升我国在高精度光学测量理论、方法和技术的总体水平。
【图文】：

第 1 章 绪论展椭偏测量系统高级参数问题研究，，建立更为精准的系统模型且精数十分关键。穆勒矩阵椭偏测量系统发展现状勒矩阵椭偏测量系统的基本结构配置图如图 1.1 所示。以斯托克斯品 S 上出射光和入射光的偏振态，分别表示为 Sout和 Sin，则 Sout以表述为 Sout=MSSin，其中 4×4 的方阵 MS为样品 S 的穆勒矩阵。严有能完整测量出MS的16个元素的椭偏系统才能称之为穆勒矩阵椭下面具体介绍不同结构配置下的椭偏测量系统能够测量的穆勒矩阵对比各类严格意义上的穆勒矩阵椭偏测量系统的优缺点。

图1.2旋转起偏器和检偏器型的椭偏测量系统的结构配置图e 1.2 Configuration of ellipsometry system with rotating polarizer and a如图 1.3 所示，此类椭偏系统结构主要依次包括光源、起偏器检偏器和探测器 6 个部分，其中起偏器和补偿器在测量过程中同系统能测得穆勒矩阵 MS的 12 个元素，但无法测量穆勒矩阵 1]，如图 1.3 中黑框所示。此类椭偏系统的测量方式等效于 RC透光轴方位角配置下的多次测量，或等效于带补偿器的 RPE快轴方位角配置下的多次测量。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP274

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本文编号：2698928