低至190nm！深紫外自動(dòng)變角透射反射偏振光譜測試解決方案

175-200nm波長范圍的光學(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)的高精度檢測是對其成像質(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/近紅外光譜儀、自動(dòng)消偏起偏整合偏振系統(tǒng)、TAMS可變角度測試附件，測試樣品不同角度下絕對反射率、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，電場和磁場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材料透過率和反射率測試的影響。

（一）總透過率/反射率測試

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，測試光照射到待檢測樣品前，測試光的偏振分量已發(fā)生部分分化。當(dāng)測試大角度（一般指大于15度）的透射和反射時(shí)，在樣品的測試界面，P-偏振和S-偏振分量加大，會(huì)導(dǎo)致同一樣品多次測試，測試結(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，一種是將測試光先經(jīng)過起偏器，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，將得到的測試結(jié)果相加再做除法,得到樣品不同角度的透過率或反射率：

透過率或反射率=（P偏振光+S偏振光）/2

以上修正方式需要測試兩次樣品，在降低測試效率的同時(shí)，會(huì)將每一次的測量誤差帶入測量結(jié)果。對于具有各向異性的偏振樣品測試，無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偏振光下的透過率反射率測試

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

圖6 P偏振光和S偏振光下的透過率反射率測試

對于各向同性材質(zhì)的偏振樣品，一般無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），測試樣品的P偏振光和S偏振光下的透過率反射率，需要考慮樣品放置的偏振方向問題。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，不能剛好做到測試光方向與樣品的偏振方向水平或垂直，得到偏振測試的最大值和最小值，也是不能達(dá)到消偏比測試要求的原因之一。這時(shí)需要固定樣品位置，自動(dòng)旋轉(zhuǎn)起偏驅(qū)動(dòng)器，找到偏振測試最大值和最小值所對應(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偏振光下的透過率反射率測試。

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，一般有效工作波長范圍220-2600nm。用于200nm以下波長測試的偏振材料，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，有效工作波長范圍190-2600nm。

圖8 起偏晶體P偏振光和S偏振光下的透過率曲線

配合TAMS絕反變角度透射反射附件，可以方便快捷的測試樣品不同角度下透射反射數(shù)據(jù)，自動(dòng)測試樣品不同角度下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)下透射率曲線測試，測試曲線如下圖所示。

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試解決方案，具有以下特點(diǎn)：

1) 偏振測試有效工作波長范圍：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試一次；測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)變角度透射反射測試，軟件控制透射反射角度自動(dòng)測試，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°