【摘要】 本文详解共路外差干涉椭偏仪标定技术，通过分束器校准、探测器响应补偿及非线性拟合算法实现纳米级精度测量，适用于半导体、光学薄膜检测领域。

外差干涉椭偏仪作为偏振干涉技术与椭偏测量的融合方案，基于共路干涉仪设计（非传统迈克尔逊结构），通过双频激光实现高稳定性测量。其核心原理是：入射光经分束器分为参考光束与信号光束，信号光通过待测样品后与经角反射器频移的参考光干涉，生成时域干涉条纹。通过解析干涉信号的幅值与相位，可精确获取样品椭偏参数。

 

系统稳定性创新设计

早期干涉椭偏仪依赖运动部件导致频漂问题，而外差干涉椭偏仪采用塞曼激光器或双频二极管激光器生成拍频信号，显著提升抗干扰性。近年，Kim团队提出结合Mach-Zehnder干涉仪的光谱椭偏方案，无需机械运动即可捕获p/s偏振分量光谱。Yu等人则创新性地开发了共路干涉椭偏仪结构（图1），通过消除光路分离大幅抑制环境噪声。

图1 一种简单外差干涉椭偏仪的光学装置:偏振器电光调制器;BS:分束器;S:试样;AT和AR:分析仪;DT和DR:光电探测器;DSP:数字信号处理器;PC:个人电脑。

 

精度校准关键技术

该系统可同步测量振幅反射率、相位差等5个光学参数。为实现亚微米级精度，需对三方面校准：

1.​分束器偏振响应：标定透射/反射的偏振敏感性

2.探测器响应度：消除DT/DR通道增益差异（图2）

3.频率非线性：通过锯齿波驱动EOM补偿频移误差

图2 来自实验结果的（a）参考臂和（b）信号臂的检测强度信号的数字化波形。红色实线为非线性拟合曲线，蓝色实点为实验波形的采样点

 

工程应用优势

经标定的简单外差干涉椭偏仪具备三大优势：

  • ​环境鲁棒性：共路设计使相位噪声降低85%（Yu et al.实测数据）
  • ​零运动部件：规避机械误差源
  • ​智能信号处理：基于非线性拟合算法实时解析参数，测量误差<0.1°

该成果由Yu团队2019年发表于《Optics Communications》（文献1），为工业级椭偏测量提供了高性价比解决方案。

 

参考文献：1.Yu, C.-J.;  Lin, H.-M.; Peng, K.-Q., Calibration of a simple heterodyne interferometric ellipsometer. Opt. Commun. 2019, 439, 244-250.

 

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