旋转偏振分析椭偏仪(RPAE)：原理、研制与应用解析

椭圆偏振测量技术拥有数百年的研究历史，其核心在于精确测量和分析光的椭圆偏振态。作为一种非破坏性、高灵敏度的光学表征手段，现代椭偏仪在块状固体和薄膜材料的光学特性研究中扮演着关键角色。相较于传统反射率测量，​椭偏仪具备显著优势：它直接测量光波的相位信息，无需依赖Kramers-Kronig外推法；同时对光源强度波动和样品表面宏观粗糙度具有更强的鲁棒性，避免了绝对强度测量带来的困扰。

椭偏仪的核心功能是探测光在样品表面反射前后偏振态的变化。当已知方向的线偏振光以特定入射角照射样品时，反射光会转变为椭圆偏振光。该椭圆的形态（椭偏参数）精确反映了样品的复介电函数​（包含实部和虚部），进而可推导出光学常数​（如折射率n、消光系数k）和薄膜厚度等关键信息。一次典型的椭偏测量即可获得两个核心参数：振幅比Ψ和相位差Δ。

旋转偏振分析椭偏仪(RPAE) 作为一种高效动态椭偏仪构型，因其设计巧妙而备受关注。Taher M. El-Agez等人^[1]深入研究了1:2速比RPAE，提供了详尽的数学推导、实验表征方法，并探讨了仪器校准、样品对准及基准样品测试等关键环节。他们利用自研的RPAE成功获取了多种已知材料的光学性质，结果与公认值高度吻合，验证了仪器的可靠性。该研究还利用不同厚度的椭偏标准样品对自制仪器进行了系统测试。

图1. 考虑的RPAE示意图:(1)非偏振光，(2)固定线偏振光片，(3)旋转为ω的线偏振光片，(4)各向同性样品，(5)旋转为2ω的线性分析仪，(6)检测器。^[1]

RPAE的技术演进与优势

自20世纪70年代动态扫描椭偏仪展现其在宽光谱范围（如1.5-6eV）测定光学常数的强大能力后，椭偏技术持续发展。在众多光谱椭偏仪构型中，​旋转分析器椭偏仪(RAE) 因设计简单而被广泛采用，但其存在明显的直流背景噪声问题，且校准过程复杂耗时。1987年提出的1:2速比RPAE构型通过让起偏器和检偏器分别以角速度ω和2ω旋转，使得最终探测器接收的光强信号包含特定的交流分量（余弦项），有效消除了直流背景和相移误差，显著提升了测量精度。后续改进型RPAE在保持1:2速比优势的同时，引入了完全可变的入射角设计，并在光路中增加了固定偏振器以消除光源偏振效应，使信号包含四个交流分量，通过处理这些分量即可精确求解椭偏参数和光学常数。

图2. 正在研制的自制椭偏仪原理图。^[1]

RPAE的研制成果与应用验证

El-Agez等人成功研制了1:2速比RPAE，并对其进行了全面的数学建模与功能分析。实验结果表明，该自制椭偏仪灵敏度极高，甚至能够清晰检测到硅晶圆表面的天然氧化层。在多种材料体系（包括不同反射系统）上的测试数据均与公认值或标准值高度一致，充分证明了这种旋转偏振分析椭偏仪(RPAE) 在材料表征、薄膜测量领域的实用价值和可靠性。

参考文献：[1] T.M. El-Agez, S.A. Taya, Development and construction of rotating polarizer analyzer ellipsometer, Optics and Lasers in Engineering, 49 (2011) 507-513.

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