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1、天津拓普TPY-2 型 自动椭圆偏振测厚仪使 用 说 明 书V1.0天津市拓普仪器有限公司目录1. 概述 12. 仪器的用途 13. 椭圆偏振法测量原理 14. 仪器的主要性能指标 25. 仪器的组成和结构 25.1. 光源机构 25.2. 起偏机构 35.3. 检偏机构 35.4. 接收机构 45.5. 主体机构 45.6. 装卡机构 55.7. 光学系统 66. 仪器的安装说明 67. 实验步骤 68. 仪器的软件设计 89. 软件的安装及使用 810. 仪器使用及注意事项 1811. 技术服务帮助 18TPY-2 型 自动椭圆偏振测厚仪使用说明书（version 1.0）- 1 -1.
2、概述在近代科学技术的许多门类中对各种薄膜的研究和应用日益广泛。因此，能够更加迅速和精确地测量薄膜的光学参数已变得非常迫切。在实际工作中可以利用各种传统的方法，测定薄膜光学参数，如：布儒斯特角法测介质膜的折射率，干涉法测膜厚。另外，还有称重法、X 射线法、电容法、椭偏法等等。其中，因为椭圆偏振法具有测量精度高，灵敏度高，非破坏性等优点，故已在光学、半导体学、生物学、医学等诸多领域得到广泛的应用。椭圆偏振测厚技术是一种测量纳米级薄膜厚度和薄膜折射率的先进技术，同时也是研究固体表面特性的重要工具。椭圆偏振测量实验已成为高校近代物理实验中最重要的一项内容。2. 仪器的用途TPY-2 型自动椭圆偏振测厚
3、仪是集光、机、电一体化的精密测量仪器。主要用于测量：2.1 固体表面薄膜的厚度和折射率；2.2 金属膜的复折射率。此外，还可以用于研究固体表面及其膜层的光学特性，在半导体、金属材料、光学、化学、生物学及医学领域有广泛的应用。3. 椭圆偏振法测量原理3.1 光是一种电磁波，且是横波。电场强度 E、磁场强度 H 和光的传播方向构成一个右旋的正交三矢族。3.2 光矢量存在着各种方位值。因此，与光的强度、频率、位相等参量一样，偏振态也是光的基本量之一。3.3 偏振态可以作为一种光学探针。如果已知入射光束的偏振态，一旦测得通过光学系统后出射光偏振态，就能将影响系统光学性能的某些物理量（n、d）确定下来。
4、使一束自然光（非偏振激光）经起偏器变成线偏振光，再经 1/4 波片，使它变成椭圆偏振光，入射到待测的膜面上。反射时光的偏振态将发生变化。通过检测这种变化，便可计算出待测膜面的光学参数。对于一定的样品，总可以找到一个起偏方位角 P，使反射光由椭圆偏振光变成线偏振光。这时，转动检偏器，在某个检偏器的方位角 A 下得到消光状态，即没有光到达光电倍增管。以上方法被称为消光测量法。TPY-2 型 自动椭圆偏振测厚仪使用说明书（version 1.0）- 2 -4. 仪器的主要性能指标4.1 测量范围：薄膜厚度范围：1nm4000nm；折射率范围：110；4.2 测量厚度最小值：1nm；4.3 偏振器方位
5、角范围：0 180；4.4 偏振器步进角：0.014/步；4.5 测量膜厚和折射率重复性精度分别为0.5nm 和0.005；4.6 入射角连续调节范围：20 90精度为 0.05；4.7 入射光波长：632.8nm；4.8 光学中心高：80mm；4.9 允许样品尺寸：10140mm（或任意形状） ，厚度15mm；4.10 外形尺寸：580390320；4.11 主机重量：28 kg；5. 仪器的组成和结构该仪器集光、机、电于一体。主要由光源机构、起偏机构、检偏机构、接收机构、主机机构和装卡机构共六部分组成。5.1 光源机构：光源机构主要由长 150mm，功率 0.8mw，波长为 632.8nm
6、 的氦氖激光器、调节套筒、光源外壳、起偏度盘副尺等组成，详见图 5.1。图 5.1 光源机构氦氖激光器光源外壳起偏度盘副尺TPY-2 型 自动椭圆偏振测厚仪使用说明书（version 1.0）- 3 -5.2 起偏机构：起偏机构主要由步进电机、偏振片机构、1/4 波片机构及齿轮副等组成，详见图 5.2。图 5.2 起偏机构5.2.1.步进电机采用步距角为 1.8,12v 的直流步进电机，它由 1/64 细分电路控制，故步进角可达 0.028，从而拖动齿轮副回转。通过起偏机构可测得起偏角 P。5.2.2.齿轮副由一对直齿圆柱齿轮组成。与步进电机输出轴联接的主动齿轮，齿数为 60，模数 m=0.3
7、8。从动齿轮齿数 120，模数 m=0.38，故传动比为 i=0.5，最小输出的步进角可达 0.014。5.2.3. 偏振片置于偏振片机构中，通过从动齿轮的回转可以实现 0 180范围内的转动，从而使入射到其上的自然光（非偏振激光）变成线偏振光出射。5.2.4. 1/4 波片的调节是通过旋转 1/4 波片机构实现的，使射入其上的线偏振光变成椭圆偏振光（波片位置出厂时已调节好，用户无须调节） 。5.3 检偏机构：检偏机构主要由步进电机、齿轮副及偏振片机构等组成，其结构形式作用等同于起偏机构，通过检偏机构可测出精度为 0.014的检偏角 A，详见图 5.3。1/4 波片机构步进电机偏振片机构齿轮副
8、TPY-2 型 自动椭圆偏振测厚仪使用说明书（version 1.0）- 4 -图 5.3 检偏机构5.4 接收机构：接收机构主要由光电倍增管、支架、底板及检偏度盘副尺等组成。光电倍增管采用侧窗式，型号为 CR114，详见图 5.4。图 5-4 接收机构5.5 主体机构：主体机构主要由大刻度盘、上回转臂、下回转臂及箱体机构等组成，详见图 5.5。5.5.1.下回转臂通过立轴下挡圈固定在大刻度盘上的下悬的立轴上。其上固定光源机构和起偏机构，故下回转臂可绕大刻度盘上的下悬立轴回转。5.5.2.上回转臂通过立轴上挡圈固定在大刻度盘上的下悬立轴上，其上固定检偏机构和接收机步进电机偏振片机构齿轮副光电倍
9、增管支架底板 检偏度盘副尺TPY-2 型 自动椭圆偏振测厚仪使用说明书（version 1.0）- 5 -构，故上回转臂可绕大刻度盘上的下悬立轴回转。5.5.3.大刻度盘通过三个大刻度盘支柱固定在箱体上，其上固定装卡机构以装卡被测样品。大刻度盘上表面的外边缘，刻有两段 20 90的刻线，每刻度值为 1，两个起偏、检偏度盘副尺上均匀刻有 20 格刻线，故入射角读数精度为 0.05。5.5.4.箱体机构由箱体上面板、箱体框及底脚等组成。仪仪仪仪仪仪仪仪仪仪仪TPY-2仪 仪仪仪仪仪仪仪仪仪图 5.5 主体机构5.6 装卡机构：装卡机构主要由燕尾导轨、调整架、光阑片及二维底座等组成，详见图 5.6。
10、 ，5.6.1.燕尾导轨可以固定直径 10-140mm（或任意形状） ，厚度15mm 的被测样品。5.6.2.调整架可使固定在燕尾导轨上的被测样品作俯仰；或左右偏摆。5.6.3.光阑片置于被测样品表面处，可限制其它杂散光直接照射被测样品。光阑片可前后移动，以方便被测样品的装卡。5.6.4二维底座上固定调整架及燕尾导轨，其作用有二：其一通过转动千分尺，可拖动被测样品，左右移动，以适合不同厚度的被测样品的装卡。其二通过转动 X 向千分尺，可拖动被测样品作前后移动（朝向人眼的方向或远离人眼的方向移动） 。图 5-6 装卡机构大刻度盘上回转臂下回转臂箱体机构二维底座光阑片调整架燕尾导轨TPY-2 型
11、自动椭圆偏振测厚仪使用说明书（version 1.0）- 6 -5.7 光学系统：仪器的光学系统包括光源、接收器、偏振片、1/4 波片，其光路图：详见图 5-7。图 5-7 光学系统（主视图）6. 仪器的安装说明6.1 开箱：用户打开仪器的包装后，请对照装箱单对仪器的齐套性进行认真地清点验收，如发现与装箱单不符等情况，请立即与销售方联系解决。6.2 仪器的安装：仪器的安装通常是由厂方派出的技术人员负责完成。待仪器安装且调试到正常工作后，还要对用户进行仪器的使用、操作培训。6.3 仪器的安装环境：该仪器为测量用的精密仪器，为了提高仪器的工作质量和延长仪器的使用寿命，在选择仪器的使用场地时应注意以
12、下几点：室内温度 ： 205净化湿度 ： 50%室内无腐蚀性气体、无强振动源、无强电磁干扰。仪器应置于坚固的平台上。室内应具稳压电源对仪器供电，并有良好的接地。7. 实验步骤7.1 准备过程：7.1.1.首先开启主机电源，点亮氦氖激光器（预热 30 分钟后再测量） 。然后将电控箱调节旋钮逆时针旋到头，联接好主机与电控箱间的各种数据线，开启电控箱电源。联接主机与计算机间的USb 线（此时计算机可能会提示发现新硬件 ，硬件驱动程序的安装请参阅后面的软件安装说明） 。光源接收器偏振片1/4 波片TPY-2 型 自动椭圆偏振测厚仪使用说明书（version 1.0）- 7 -7.1.2.如果软件程序已
13、安装，可直接双击桌面的快捷方式，运行程序。否则，请参阅后面的程序安装说明。7.1.3.装卡被测样品。7.1.4.选定入射角 （如 70） ，调节起偏机构悬臂和检偏机构悬臂，使经样品表面反射后激光束刚好通过检偏器入光口。7.1.5.顺时针旋转电控箱调节旋钮，将读数调到 150 伏左右（视仪器情况而定）即可。7.2 实验过程：说明：通过旋转起偏器的角度，可使入射到样品表面的椭圆偏振光的两个分量的位相差变化，当起偏器调到某一角度 P 时，经样品反射的椭圆偏振光就变成了线偏振光。此时，旋转检偏器到某一角度 A，使检偏器的透光方向与线偏振光的振动方向垂直，达到消光状态，探测器接收的光强最小，这时，A、P
14、 就是我们要测的一对消光角。为了减小因系统的不完善造成的系统误差，通常仪器采取在多个不同的消光位置进行测量。重复上述步骤，即可得到多对消光角。7.2.1.双击桌面图标，运行程序。点击进入按钮，再点击实验 ，选择实验类型（通常选择第一类） ，再点击实验填入相应参数， 确定后。点击测量 ，填入相应参数点击确定 。此时，如果一切准备就绪，就可以点击测量 ，开始实验。测量时实验框的左侧会显示出仪器测量过程的步骤提示，同时还能在右侧的坐标栏中看到扫描曲线。等待测量结束后，选择数据平均次数，点击确定 。现在窗体会回到进入时的对话框，同时测量数据已自动填入参数栏内，点击测量旁的计算按钮。程序将自动计算出测量结果。点击确定 ，第一组数据测量完毕。（提示：在实验过程中，如果扫描曲线的谷点过低，接近0点，此时可适当把电控箱电压上调一些。 ）7.2.2.为了计算薄膜的真实厚度：由理论分析可知，样品的一组（，）只能求得一个
