光學測試技術第六章

1、光學測試技術課件第六章第1頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一第六章 偏振光分析法測量根據(jù)測量偏振矢量波的偏振態(tài)來確定被測試樣的相位差，從而求出被測試樣的其它參數(shù)（如應力、膜層折射率和厚度、波像差等）的方法，稱為偏振光分析法。近年來，偏振光分析法在光學測量中的應用有很大發(fā)展。在光學玻璃應力雙折射測量、雙折射晶片及玻片相位差的測量方面，已由普通的單1/4玻片法發(fā)展為半影法（用半影檢偏器的1/4玻片法）、光電晶體補償法和應用橫向塞曼激光器的測量法等，這些方法是測量雙折射光程差的準確度提高了幾倍到幾十倍。在橢圓偏振術（簡稱橢偏術）方面，自1945年A.Rothen描述了一種測定薄

2、膜表面光學性質(zhì)的儀器（即橢圓偏振測量儀）以來，無論在理論上和應用上都有了很大發(fā)展。第2頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一第六章 偏振光分析法測量在我國，60年代就研制了橢偏儀。近年來，微機控制的單色橢偏儀已有了正式產(chǎn)品，能測固體材料光學性質(zhì)的橢偏光譜儀幾年前已研制成功，國內(nèi)最近進一步研制出同步旋轉起偏器和檢偏器的可變?nèi)肷浣堑牟ㄩL掃描型橢偏儀?，F(xiàn)在。測量光學薄膜特性的橢偏儀已由采用消光法發(fā)展為新的光度法，它使設備簡單、精度提高、速度加快，而且還擴大應用范圍。80年代國內(nèi)在偏振光分析法應用上的重要進展是實現(xiàn)了壓電晶體或電光晶體的條紋掃描干涉儀和采用布拉格盒的外差干涉儀結構簡單

3、，容易實現(xiàn)移相，并且應用范圍還會廣泛一些。由于采用偏振光分析法的設備較簡單而測量準確度較高，它必將在光學測量中發(fā)揮越來越大的作用。第3頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一第一節(jié) 偏振光分析法基本原理（1）兩個頻率相同、振動方向垂直的單色光波的疊加或寫成：消去參變量 ，合振動矢量末端運動軌跡方程為：其中：當 時，合成光波為線偏振光；當 時，合成光波為也為線偏振光；當 時，合成光波為正橢圓偏振光；第4頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一第一節(jié) 偏振光分析法基本原理（2）玻片 玻片能使偏振光的兩個互相垂直的線偏振光之間產(chǎn)生一個相對相位延遲，從而改變它的偏振態(tài)。

4、玻片是由透明晶體制成的平行平面薄片，其光軸與表面平行。當一束線偏振光垂直入射到單軸晶體制成的玻片時，在玻片中分解成沿原方向傳播但振動方向互相垂直的 光和 光（兩光的傳播方向相同），由于兩光在晶片中的速度不同，但通過厚度為 的晶片后產(chǎn)生相應的相位差為（）半波片（或 玻片）使得線偏振光通過后仍然為線偏振光，圓偏振光入射，出射光是旋向相反的圓偏振光；第5頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一第一節(jié) 偏振光分析法基本原理（） 玻片使得入射線偏振光變?yōu)闄E圓偏振光，若入射線偏振光的光（電）矢量與玻片的快（慢）軸成45角時，將得到圓偏振光。（3）偏振的矩陣表示偏振的矩陣表示法，能夠提供一種

5、最簡練的矩陣形式進行最簡單的矩陣運算，來推算偏振器件組成的復雜系統(tǒng)對出射光波狀態(tài)作用的方法，而不必去追究其中每一過程的具體物理意義，瓊斯矩陣就是其中適于相干光波的一種矩陣形式。第6頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一第一節(jié) 偏振光分析法基本原理（）偏振光的瓊斯矢量表示設主軸系統(tǒng)中偏振光 的兩個正交分量的復振幅為：矩陣表示法就是用一個瓊斯矢量的列矩陣來表示偏振光：第7頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一第一節(jié) 偏振光分析法基本原理（）偏振光的瓊斯矢量表示偏振光的強度是它的兩個分量的強度和，即通常我們研究的往往是光強度的相對變化，所以其歸一化形式可以用 去除

6、 的每一個分量（使得兩分量的平方和為1）而得到。考慮到偏振態(tài)的形狀、位置及旋向僅取決于兩分量的振幅比 和相位差 ，因此歸一化的瓊斯矢量可以寫為：第8頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一第一節(jié) 偏振光分析法基本原理（）偏振光的瓊斯矢量表示以下是幾個偏振光的歸一化瓊斯矢量的例子光矢量與 軸成 角，振幅為 的線偏振光：歸一化的瓊斯矢量為：長軸沿 軸，長短軸之比為21的右旋橢圓偏振光：歸一化的瓊斯矢量為：第9頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一第一節(jié) 偏振光分析法基本原理左旋圓偏振光歸一化的瓊斯矢量為：把偏振光用瓊斯矩陣表示，特別方便計算兩個或多個給定的偏振光疊

7、加的結果。例如兩個振幅和位相相同，光矢量分別沿 軸和 軸的線偏振光的疊加，用瓊斯矢量來計算就是：而：第10頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一第一節(jié) 偏振光分析法基本原理線偏振光圓偏振光光矢量沿 軸光矢量沿 軸光矢量與 軸成45角光矢量與 軸成 角右旋左旋第11頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一第一節(jié) 偏振光分析法基本原理（）偏振器件的瓊斯矩陣表示偏振光通過偏振器件之后，光的偏振態(tài)將發(fā)生變化。若入射光的偏振態(tài)表示為 ，經(jīng)過偏振器件后變?yōu)?，則偏振器件的線性變換作用可以用一個二行二列的矩陣來表示，即有： 或稱G矩陣為該偏振器件的瓊斯矩陣。式（3）的分量形

8、式為：式中， 一般為復常數(shù)。第12頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一第一節(jié) 偏振光分析法基本原理（）偏振器件的瓊斯矩陣表示式（5）表明偏振器件在偏振態(tài)轉換中起著線性變換作用，新的偏振態(tài)的兩個分量是原來偏振態(tài)兩分量的線性組合。下面舉例求取偏振器件的瓊斯矩陣例1：線偏振器件的瓊斯矩陣設偏振器透光軸與 軸成 角，如圖所示建立 坐標系，入射光在 軸上的兩個分量分別為 和 ，將它們在線偏振器透光軸方向上投影。入射光通過線偏振器后， 和 沿透光軸方向的分量分別為 和 ，將這兩個分量的組合在 上再投影，得到出射光的兩個分量 和 ，即+透光軸第13頁，共68頁，2022年，5月20日，3

9、點55分，星期一第一節(jié) 偏振光分析法基本原理（）偏振器件的瓊斯矩陣表示比較式（5），可得線偏振器的瓊斯矩陣為：第14頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一第一節(jié) 偏振光分析法基本原理（）偏振器件的瓊斯矩陣表示例2：玻片的瓊斯矩陣設玻片的快軸與 軸成 角，通過玻片后兩光產(chǎn)生的相位差為 。如圖所示建立坐標系。取入射偏振光為 ，則兩分量在玻片快、慢軸上的分量和為：快軸慢軸第15頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一第一節(jié) 偏振光分析法基本原理（）偏振器件的瓊斯矩陣表示例2：玻片的瓊斯矩陣或表示為：從玻片出射時，必須考慮快、慢軸上分量的相對相位延遲，于是，從玻片出射

10、的分量變?yōu)椋夯虮硎緸椋哼@兩個分量再分別在 軸上投影，得到出射光瓊斯矢量在 軸上的兩分量為：快軸慢軸第16頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一第一節(jié) 偏振光分析法基本原理（）偏振器件的瓊斯矩陣表示例2：玻片的瓊斯矩陣或表示為：代入各量，得：整理后，得到玻片的瓊斯矩陣為：其中 為快慢軸的相位差； 為快軸與 軸的夾角?？燧S慢軸第17頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一第一節(jié) 偏振光分析法基本原理（）偏振器件的瓊斯矩陣表示以下是典型偏振器件的瓊斯矩陣：線偏振器透光軸與 軸成45透光軸在 方向透光軸在 方向透光軸與 軸成 角第18頁，共68頁，2022年，5月20

11、日，3點55分，星期一第一節(jié) 偏振光分析法基本原理玻片半波片 快軸在 方向快軸在 方向快軸與 軸成45角快軸在 或 方向快軸與 軸成45角第19頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一第一節(jié) 偏振光分析法基本原理典型偏振器件的瓊斯矩陣快軸在 方向慢軸在 方向（相位延遲角為 ）快軸與 軸成45第20頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一第一節(jié) 偏振光分析法基本原理用偏振光分析法確定被測試樣相位差的基本原理是：入射線偏振光通過被測試樣和某種偏振器件（泛指產(chǎn)生橢圓偏振光、圓偏振光或線偏振光的器件）或先通過偏振器件再通過被測試樣，之后，又成為線偏振光。但其振動方向相對

12、于原入射偏振光的振動方向偏轉了一個角度，該角度與被測試樣的相位差成簡單的線性關系。實際上述基本原理的方案有兩種：一種是將試樣放在起偏器與1/4玻片（具有雙折射光程差為/4或相位差為/2的薄晶片）之間，繞通光方向轉動試樣或試樣不動同步轉動其它全部偏光器件，使從1/4玻片出射的是振幅相同的左旋和右旋圓偏振光，合成為線偏振光，其電矢量方位角與被測試樣相位差線性相關。第21頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一第一節(jié) 偏振光分析法基本原理第二種方案是：將試樣放在1/4玻片和檢偏器之間，繞通光方向轉動起偏器，當出現(xiàn)消光現(xiàn)象時，起偏器振軸的方位角與被測試樣的相位差線性相關。定義線偏振器振

13、軸的方向為自然光通過線偏振器后成為線偏振光的振動方向。一、試樣在起偏器和1/4玻片之間的方案光學系統(tǒng)簡圖和各偏振器及試樣所對應的電矢量的方位圖如圖6-1所示。起偏器2試樣3玻片4檢偏器5ST45起偏器2試樣3玻片4起偏器2試樣3檢偏器5玻片4起偏器2試樣3第22頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一一、試樣在起偏器和1/4玻片之間的方案單色平行光通過起偏器2成為線偏振光，設其振動方向 平行于 軸，再經(jīng)過有雙折射的試樣3，成為兩束振動方向 互相垂直線偏振光（一般合成為橢圓偏振光），當振動方向之一（如 ）與 軸成45角時，這兩束線偏振光通過快、慢方向 分別與 軸平行的1/4玻片后

14、又合成為線偏振光。檢偏器5的偏振軸 的起始方位與 軸平行，即不放入試樣時視場是消光的。起偏器2試樣3玻片4檢偏器5ST45第23頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一一、試樣在起偏器和1/4玻片之間的方案下面導出透過1/4玻片后線偏振光的方位角與試樣相位差的數(shù)學關系。設經(jīng)起偏器的線偏振光表示為 ，經(jīng)相位差為 的試樣，當試樣的快方向與 軸成+45角時，對應的瓊斯矩陣為：玻片的矩陣，當快方向與 軸平行時為第24頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一一、試樣在起偏器和1/4玻片之間的方案經(jīng)1/4玻片后的光束可表示為：這是一束振動方向與 軸成 角的線偏振光。轉動檢偏

15、器到消光時，轉過的角度 就等于 。起偏器2試樣3玻片第25頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一一、試樣在起偏器和1/4玻片之間的方案當試樣的慢方向與 軸成+45角時，對應的瓊斯矩陣為：這時可求得：這是一束振動方向與 軸成 角的線偏振光。第26頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一一、試樣在起偏器和1/4玻片之間的方案這是一束振動方向與 軸成 角的線偏振光。反方轉動檢偏器到消光時 ，轉過的角度也是 。最后得第一種方案出射線偏振光電矢量的方位角 與被測試樣的相位差 的關系為：起偏器2試樣3玻片4檢偏器第27頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期

16、一二、試樣在1/4玻片和檢偏器之間的方案其光學系統(tǒng)簡圖和各偏光器件及試樣所對應的電矢量方位圖如圖6-2所示。設起偏器的偏振軸與 軸的夾角為 ，透過光的瓊斯矢量為：玻片快方向與 軸成45角，其瓊斯矩陣為：設被測試樣的快方向平行于 軸，瓊斯矩陣為：起偏器P試樣S玻片檢偏器A第28頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一二、試樣在1/4玻片和檢偏器之間的方案經(jīng)試樣出射的光束可表示為:由式（6-4）可以看出，當出射光束成為線偏振光，當 為偶數(shù)時，其振動方向與 軸成+45角；當 為奇數(shù)時，則與 成-45角。第29頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一二、試樣在1/4玻片

17、和檢偏器之間的方案設式（6-4）表示的光束通過偏振軸與 成+45的檢偏器，其瓊斯矩陣為： 可得：上式是略去了兩正交偏振光的公共因子后的結果。對應光強為：轉動起偏器改變 角，當 ， 為奇數(shù)時， ，即出現(xiàn)消光現(xiàn)象。這時可由測得的 求出相位差 。顯然，若檢偏器的偏振軸與 軸成-45角。則 為偶數(shù)時消光。第30頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一二、試樣在1/4玻片和檢偏器之間的方案轉動起偏器，測出不同時刻的光強值 ，利用正交選頻積分也可求得相位差 ：這時由于光束被限制，從而有效地避免了光路中引入的擾動。如果經(jīng)試樣后兩正交偏振光的振幅不相等，設分別為A和B，并且 ，則試樣的瓊斯矩陣

18、為（快方向平行于 軸）：第31頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一二、試樣在1/4玻片和檢偏器之間的方案經(jīng)試樣出射光束可表示為：要使該光束經(jīng)檢偏器后的出射光束的光強正比于式（6-5）所示的 ，只需轉動檢偏器使其偏振軸與 軸成 角即可，此時檢偏器的瓊斯矩陣為：第32頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一二、試樣在1/4玻片和檢偏器之間的方案光束經(jīng)檢偏器后可得：這是一束線偏振光，振動方向與 軸成 角，光強正比于 。轉動起偏器改變 角，當 為奇數(shù)時消光。由測得轉角 即可求出試樣的相位差 。從以上分析可見，第二方案較適用于試樣不宜轉動，經(jīng)試樣后兩正交偏振光振幅不相

19、等的測量系統(tǒng)中。第33頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一第六章 偏振光分析法測量 第二節(jié)光學玻璃應力雙折射測量第34頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一第二節(jié) 光學玻璃應力雙折射測量光學玻璃毛坯的內(nèi)應力通常是指從退火溫度冷卻的過程中，毛坯中心和邊緣部分不可避免的溫度差而產(chǎn)生的應力。這種退火后永久留下來的應力稱為退火應力，又稱殘余應力（以下簡稱應力）。應力使玻璃由各向同性體變?yōu)楦黜棶愋泽w，光學上產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。我們是通過測出的應力雙折射（單位厚度的雙折射光程差稱為應力雙折射）來衡量玻璃中應力的大小的。同時也可以衡量玻璃的退火的質(zhì)量。一、應力與雙折射光通過

20、有應力的玻璃會產(chǎn)生雙折射。受均勻單向力的玻璃，其光學性質(zhì)如同一塊單軸晶體，光軸方向就是作用力的方向。第35頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一一、應力與雙折射非常光（e光）的振動方向在主截面（入射光與光軸構成的平面）內(nèi)，尋常光（o光）的振動方向垂直于主截面。玻璃受到單向拉應力時，其光學性質(zhì)如同單軸正晶體，即 （ ）；受單向壓應力時，則如同單軸負晶體， （ ）。正、負晶體的快慢方向及e光振動方向如圖圖6-3所示。光線光軸E光振動方向（慢）光軸E光振動方向（快）光線（a）正晶體（b）負晶體第36頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一一、應力與雙折射平行光垂直光

21、軸通過晶片時，產(chǎn)生的雙折射光程差最大，亦即光束方向對應于最大雙折射率 方向。對玻璃來說，垂直于光軸的方向就是垂直于玻璃的主應力方向。我們規(guī)定以垂直于主應力方向測得的值來表征主應力的大小。雙折射光程差由下式計算 式中 d晶片或玻璃板的厚度。從有應力的玻璃中取一立方體單元，一般情況單元受三個方向的應力 。若光線沿z軸方向通過立方體單元，產(chǎn)生的應力雙折射 （單位厚度的雙折射光程差）與兩個應力 之差成正比第37頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一一、應力與雙折射比例系數(shù)B稱為應力偏光系數(shù)，又稱應力光學系數(shù)。若取P的單位為 ， 的單位為 ，則B的單位為“布”（Brewster）， 。

22、應力偏光系數(shù)的大小與玻璃成分有關：冕牌玻璃B=2.53.7布；重火石玻璃B=0.72.0布；其他牌號玻璃的B值大多介與上述二者之間。式（6-8）是根據(jù)麥克斯韋于1852年建立的應力光學定律得來的。若在垂直于光束的方向上，玻璃只有一個主應力 ，則有上式表達了應力雙折射與應力的比例關系。故應選擇玻璃上只有一個主應力的點進行應力雙折射的測量，并且光束入射方向與主應力垂直。第38頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一一、應力與雙折射根據(jù)國家標準GB903-87，玻璃的應力雙折射標準有玻璃中部的和玻璃邊緣的兩種。前者以玻璃塊最長邊中部單位長度上的光程差 表示；后者以距玻璃邊緣為5%的直

23、徑或邊長處各點中最大的單位厚度上的光程差 表示。并且要求光束垂直式樣表面入射。中部和邊緣的測量點與光束入射方向如圖6-4中的A-B點和、方向。根據(jù)玻璃退火后的主應力分布規(guī)律，上述中部和邊緣的各測量點一般都只有一個主應力，并且應力方向平行于玻璃表面，所以測量光束要垂直于表面入射，如圖6-4中的、方向。AB第39頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一第二節(jié) 光學玻璃應力雙折射測量若用 或 來衡量玻璃退火后的質(zhì)量，則退火后的玻璃毛坯只允許表面研磨或拋光，不允許切割，因為切割后應力分布規(guī)律和應力的大小都將改變。二、雙折射光程差的測量方法（一）簡易偏光儀法通常用偏光儀測量玻璃的雙折射光

24、程差，最簡單的偏光儀由起偏器和檢偏器組成，二者的偏振軸互相垂直或平行。將有應力的圓玻璃板置于兩個偏振器之間，根據(jù)視場中看到的亮暗條紋判斷玻璃式樣中應力雙折射的大小及主應力的方向。為了有效地應用簡易偏光儀，首先要對玻璃退火后應力分布的一般規(guī)律有所了解。第40頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一二、雙折射光程差的測量方法（一）簡易偏光儀法假設圓玻璃板是放在圓柱形退火爐的中心進行退火的，而且爐內(nèi)溫度對稱于爐軸線分布，這樣退火后的玻璃的應力是對稱于圓玻璃板中心分布的，如圖6-5的左圖所示，圖中 和分別表示切向應力和徑向應力；圓玻璃板側面的應力分布如圖6-5右圖所示，圖中 表示中部應

25、力，R0.57R第41頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一二、雙折射光程差的測量方法（一）簡易偏光儀法無論是 還是 都是指光束通過玻璃板整個厚度或沿直徑通過后的綜合應力，不是玻璃表面或某一層的應力。若玻璃板不放在爐子中央，或玻璃不是圓形的，應力分布都不同。因此，測量邊緣應力時，測量點應選在距大面邊緣為直徑5%處，這時近似只有一個主應力，為切向壓應力 ；R0.57R第42頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一二、雙折射光程差的測量方法（一）簡易偏光儀法測量中部應力時，光線應垂直于C點通過玻璃，這時近似也只有一個主應力，為切向拉應力 。沿厚度方向距中心各0.5

26、7a的兩個截面上，應力為零，即有兩個零應力面，光線沿這兩個面入射時，其雙折射光程差為零。R0.57R第43頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一二、雙折射光程差的測量方法（一）簡易偏光儀法若光線垂直于大面入射，由于中心點O受到各方向的拉應力，這相當于式（6-8）中的 ，故 。距中心O為0.57R的圓周上各點的切向應力 ，僅有徑向拉應力 。對應于應力分布，就能知道通過起偏器的平行單色線偏振光分布通過圓玻璃板的大面和側面后，經(jīng)正交的檢偏器看到的亮暗條紋分布情況了。R0.57R第44頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一二、雙折射光程差的測量方法（一）簡易偏光儀法

27、如圖所示，當有應力的玻璃試樣放在正交的起偏器 和檢偏器 之間可以看到亮暗條紋，分布如下：（1）大面中心因雙折射光程差為零，故為暗圓斑；（2）由中心到邊緣雙折射光程差逐漸增加，條紋變亮，應力較大時還會出現(xiàn)一至數(shù)個同心的亮暗相間的圓條紋，如果改用白光照射，亮暗條紋將變?yōu)椴噬珬l紋。顏色相同的某一圓條紋的光程差相同，這種因光程差變化而產(chǎn)生的條紋稱為等色線。第45頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一二、雙折射光程差的測量方法（一）簡易偏光儀法相鄰兩同色或等亮度的等色線之間的光程差 的變化量為 ，相位差 的變化量為 。在大面上還可以看到一個暗十字形的條紋，并且繞中心轉動玻璃時，暗十字條

28、紋不動，若玻璃板不動，起偏器和檢偏器一起轉動，則暗十字同步轉動。這時因為玻璃板上對應暗十字條紋中心的各點的徑向應力 和切向應力 的方向不是平行于偏振軸 ，就是垂直于 ，第46頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一二、雙折射光程差的測量方法（一）簡易偏光儀法由前所述應力與雙折射的關系知：e光振動方向平行于應力方向，所以通過了玻璃板上對應十字條紋中心各點的光學不是僅有e光，就是僅有o光，而且它們的振動方向都平行于 ，因而都通不過檢偏器而呈現(xiàn)暗紋。因應力方向平行或垂直于偏振軸 而產(chǎn)生的暗紋稱為等傾線。如圖6-6所示的等傾線，等傾線是暗線，而且不是平行就是垂直于 。由等傾線的位置可以

29、知道該處的主應力方向。由 的等色線的位置，即可根據(jù)等色線的分布情況估計出玻璃板的雙折射光程差的分布情況。第47頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一二、雙折射光程差的測量方法（二）單1/4玻片法若要定量測量雙折射光程差，推薦采用1/4玻片法，因為它設備簡單，測量可靠。對退火質(zhì)量較好的光學玻璃，一般 ，這時用1/4玻片法有較高的測量準確度。單1/4玻片法只用一塊1/4玻片，橢圓偏振光通過1/4玻片，只要橢圓的長短軸分別與1/4玻片的快慢軸平行，從1/4玻片出射的將是線偏振光。本方法就是利用這個特性來測量玻璃的雙折射光程差的。測量原理圖如圖所示：慢快慢快慢快慢快慢快慢快慢快慢快慢

30、快第48頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一（二）單1/4玻片法如圖所示，單色自然光經(jīng)起偏器1成為單色線偏振光，經(jīng)由被測試件一般成為橢圓偏振光，當試件2的快、慢軸方向 與起偏器的偏振軸 成45角，經(jīng)試件出射的光將是沿線偏振軸的正橢圓偏振光，即橢圓偏振光的長短軸 必有一個與起偏器的偏振軸 平行。慢快第49頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一（二）單1/4玻片法如果1/4玻片的快（或）慢軸分別與起偏器軸（橢圓偏振光的長或短軸）平行，則從1/玻片出射的光將成為線偏振光。要使橢圓長短軸 分別與1/4玻片的快慢軸 平行，只需未放入試件前調(diào)整1/4玻片，使其快、慢軸

31、分別起、檢偏器的偏振軸 平行即可（此時視場最暗）。慢快第50頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一（二）單1/4玻片法（1）若1/4玻片的慢軸方向N平行于 ，則如圖所示。這時通過1/4玻片后，橢圓偏振光在 軸上二分量之間原有的 相位差剛好被1/4玻片產(chǎn)生的相位差抵消，于是合成線偏振光，其振動方向與 軸夾角為 ， （ 為玻璃被測點的雙折射相位差）。慢快第51頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一（二）單1/4玻片法線偏振光再通過后面的檢偏器（其透光軸為 ，與 行），當檢偏器 逆時針轉過角度 時視場又復最暗，所以被測點的雙折射光程差為：第52頁，共68頁，202

32、2年，5月20日，3點55分，星期一（二）單1/4玻片法（2）若1/4玻片快軸方向M平行于 （或者試件的慢方向為 方向時），經(jīng)1/4玻片后,橢圓偏振光 軸上二分量之間的相位差增加到 ，也合成線偏振光，其振動方向與夾角也是 ，但 角的方位有所不同。如圖所示，這時檢偏器順時針轉過 角視場最暗。若逆時針旋轉檢偏器，則需轉過180- 。第53頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一（二）單1/4玻片法測出試件中部的 或邊緣的 值后，再測出試件通光方向的長度 值，則試件每厘米長的雙折射光程差 或 為：如果玻璃的內(nèi)應力較大，就當試件被測點的雙折射光程差時，首先應找到試件通光面上 的點，這時

33、用白光代替單色光，則可看到彩色的等色線，其中無顏色的暗點或暗紋即為試件上 的位置。區(qū)別 的暗紋與暗的等傾線的方方法是起偏器、1/4、檢偏器一起轉動，不動的即為 的暗點或暗紋。第54頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一（二）單1/4玻片法測量時，改用單色光，數(shù)出從零點到被測點之間的暗紋數(shù) （整數(shù)），再用前述方法測出分數(shù)部分對應的 角，被測點的雙折射光程差為：由算出的 或 與標準GB903-87給出的數(shù)值對照，即可測定出被測試件的原理雙折射類別。玻璃毛坯按雙折射（內(nèi)應力）的大小分類： 類別每厘米最大光程差/nm1226310420530第55頁，共68頁，2022年，5月20日

34、，3點55分，星期一（二）單1/4玻片法用1/4玻片測量光學玻璃的雙折射光程差的步驟：（1）先調(diào)整起偏器和檢偏器的偏振軸正交，視場最暗；（2）放入1/4玻片，繞入射光軸旋轉1/4玻片，使視場又復最暗，此時1/4玻片的快慢軸分別與起、檢偏器的偏振軸平行；（3）放入試件，眼睛透過檢偏器和1/4玻片調(diào)焦于被測點上，繞光軸旋轉試件（或試件不轉，起、檢偏器、1/4玻片一起旋轉），看到試件被測點最暗時，再繼續(xù)轉45，被測點變亮。（4）單獨轉動檢偏器，使被測點又復最暗，這時檢偏器轉過的角度即是 角。第56頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一第六章 偏振光分析法測量 第三節(jié)光學薄膜厚度和折

35、射率測量第57頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一第三節(jié) 光學薄膜厚度和折射率測量偏振光分析法是測量薄膜參數(shù)常用的方法，在薄膜測量中常稱偏振光分析技術為橢偏術。70年代，我國開始將橢偏術應用于測定和控制大規(guī)模集成電路元件的薄膜厚度和折射率。并且廣泛用于測量光學玻璃表面所鍍光學薄膜及玻璃表面侵蝕膜的厚度和折射率。80年代末，在國內(nèi)較廣泛使用的自動橢偏儀的基礎上，有研制了高精度掃描橢偏儀和自動橢偏光光譜儀，后者用于測量不同波長下試樣的折射率 、消光系數(shù) 、介電常數(shù) 和 、膜厚 等參數(shù)。橢偏儀采用的測量方法有三種：消光法、調(diào)制消光法和光度法。三種方法的基本原理相同，以下以消光法為

36、例介紹其測量原理。第58頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一一、橢偏儀的測量原理橢偏儀的光學系統(tǒng)如圖所示，激光經(jīng)起偏器稱為線偏振光，通過1/4玻片后成為長軸與短軸分別與1/4玻片快慢軸重合的橢圓偏振光。1/4玻片的快慢軸分別與試樣表面的入射面成固定的45角，光束經(jīng)試件薄膜上下表面反射后，又被分解成在入射面內(nèi)振動和垂直于入射面振動的P、S分量，這兩個分量的相位差與薄膜厚度和折射率有關。慢軸快軸激光束起偏器玻片檢偏器光電探測器基片介質(zhì)薄膜第59頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一一、橢偏儀的測量原理起偏器的偏振軸E與P分量夾角為 ，光線經(jīng)O點垂直于紙面向傳播?？梢钥闯觯瑱E偏儀光學系統(tǒng)的布置與本章第一節(jié)的第二種方案相同（被測試樣放在1/4玻片與檢偏器之間）。則激光束從檢偏器出射的光強度為：其中 為光束斜入射到試件薄膜上，經(jīng)薄膜上下表面反射分解成P、S分量之間的相位差。它與薄膜厚度和折射率，以及光束入射角 等有關。第60頁，共68頁，2022年，5月20日，3點55分，星期一一、橢偏儀的測量