石英玻璃窗偏振效应原位校准的光学常数测量方法及装置

摘要

本发明公开了石英玻璃窗偏振效应原位校准的光学常数测量方法及装置，属于偏振光学测量领域，包括：建立变温椭偏测量装置中石英玻璃窗在斜入射情况下的穆勒矩阵W和变温椭偏测量装置中高温加热腔内样品的理论穆勒矩阵MS；穆勒矩阵W中包括椭偏参数Ψ2和Δ2以及参数m13，穆勒矩阵MS中包括椭偏参数Ψ1和Δ1；根据W和MS建立变温椭偏测量装置的整体穆勒矩阵为M＝WMSW，并归一化为矩阵Mn，由此得到Ψ2、Δ2、m13、Ψ1、Δ1以及Mn中各元素之间的关系；将样品加热至不同的温度，并测量各温度下的光谱穆勒矩阵，以计算各温度下Ψ1和Δ1的光谱，并反演拟合得到样品的高温光学常数。本发明能够对石英玻璃窗的偏振效应进行原位校准，保证了样品高温光学常数的测量精度。

权利要求

1.一种石英玻璃窗偏振效应原位校准的光学常数测量方法，其特征在于，包括：分别建立变温椭偏测量装置中石英玻璃窗在斜入射情况下的穆勒矩阵W和所述变温椭偏测量装置中高温加热腔内样品的理论穆勒矩阵MS；所述穆勒矩阵W中包括椭偏参数Ψ2和Δ2以及参数m13，Ψ2和Δ2分别表示经过所述石英玻璃窗的反射光束相对于入射光束的偏振态改变量，即振幅比角和相位差角，m13表示所述穆勒矩阵W中第一行第三列的元素，所述穆勒矩阵W中第三行第一列元素与m13相等；所述穆勒矩阵MS中包括椭偏参数Ψ1和Δ1，分别表示经过所述样品的反射光束相对于入射光束的偏振态改变量，即振幅比角和相位差角；

根据所述穆勒矩阵W和MS建立所述变温椭偏测量装置的整体穆勒矩阵为M＝WMSW，并将所述穆勒矩阵M归一化为矩阵Mn，由此得到参数Ψ2、Δ2、m13、Ψ1、Δ1以及所述矩阵Mn中各元素之间的关系；

利用所述高温加热腔将所述样品加热至不同的温度，并相应测量各温度下所述变温椭偏测量装置的光谱穆勒矩阵，以根据参数Ψ2、Δ2、m13、Ψ1、Δ1以及所述矩阵Mn中各元素之间的关系计算各温度下所述椭偏参数Ψ1和Δ1的光谱，并反演拟合得到所述样品的高温光学常数；

其中，所述变温椭偏测量装置由椭偏仪搭载高温加载装置构成；

建立变温椭偏测量装置中石英玻璃窗在斜入射情况下的穆勒矩阵W，包括：采用双旋转补偿器型穆勒矩阵变温椭偏测量装置，对所述石英玻璃进行透射椭偏测量，以得到不同入射角度下，所述石英玻璃的穆勒矩阵和对应的椭偏参数；

在误差允许范围内对所述石英玻璃在各入射角度下的穆勒矩阵进行简化，将各入射角度下的穆勒矩阵统一表示为除了元素0和1外，仅包含所述椭偏参数Ψ2和Δ2以及所述参数m13的形式，将统一之后的穆勒矩阵作为所述石英玻璃窗在斜入射情况下的穆勒矩阵W。

2.如权利要求1所述的石英玻璃窗偏振效应原位校准的光学常数测量方法，其特征在于，所述穆勒矩阵W的表达式为：

3.如权利要求1或2所述的石英玻璃窗偏振效应原位校准的光学常数测量方法，其特征在于，参数Ψ2、Δ2、m13、Ψ1、Δ1以及所述矩阵Mn中各元素之间的关系为：其中，Bij表示所述矩阵Mn中第i行第j列元素，i∈{1,2,3,4}，j∈{1,2,3,4}。

4.如权利要求3所述的石英玻璃窗偏振效应原位校准的光学常数测量方法，其特征在于，对于任意温度Tm、任意波长λ处的穆勒矩阵Mm，将其作为对应的矩阵Mn，则椭偏参数Ψ1和Δ1的计算方式为：

根据如下公式(I)或(II)计算所述参数m13：(I)：

(II)：

将所述参数m13的值代入如下公式(III)，以计算所述椭偏参数Ψ1：(III)：

将所述参数Ψ1的值代入如下公式(IV)，以计算所述椭偏参数Δ1：(IV)：

5.如权利要求4所述的石英玻璃窗偏振效应原位校准的光学常数测量方法，其特征在于，还包括：

将所述参数m13的值代入如下公式(V)，以计算所述椭偏参数Ψ2：(V)：

将所述参数m13、所述椭偏参数Ψ1、所述椭偏参数Δ1和所述椭偏参数的Ψ2值代入如下公式(VI)～(IX)之一，以计算所述椭偏参数Δ2：(VI)：

(VII)：

(VIII)：

(IX)：

6.如权利要求1或2所述的石英玻璃窗偏振效应原位校准的光学常数测量方法，其特征在于，在利用所述高温加热腔将所述样品加热至不同的温度，并相应测量各温度下所述变温椭偏测量装置的光谱穆勒矩阵的过程中，所述高温加热腔中维持还原气氛。

7.如权利要求1或2所述的石英玻璃窗偏振效应原位校准的光学常数测量方法，其特征在于，在利用所述高温加热腔将所述样品加热至不同的温度，并相应测量各温度下所述变温椭偏测量装置的光谱穆勒矩阵的过程中，所述高温加热腔的进水接口和出水接口之间建立有冷却水循环管路。

8.如权利要求1或2所述的石英玻璃窗偏振效应原位校准的光学常数测量方法，其特征在于，还包括：在利用所述高温加热腔将所述样品加热至不同的温度，并相应测量各温度下所述变温椭偏测量装置的光谱穆勒矩阵之前，对所述变温椭偏测量装置进行对准。

9.一种石英玻璃窗偏振效应原位校准的光学常数测量装置，其特征在于，包括：第一穆勒矩阵建立模块，用于建立变温椭偏测量装置中石英玻璃窗在斜入射情况下的穆勒矩阵W；所述穆勒矩阵W中包括椭偏参数Ψ2和Δ2以及参数m13，Ψ2和Δ2分别表示经过所述石英玻璃窗的反射光束相对于入射光束的偏振态改变量，即振幅比角和相位差角，m13表示所述穆勒矩阵W中第一行第三列的元素，所述穆勒矩阵W中第三行第一列元素与m13相等；

第二穆勒矩阵建立模块，用于建立所述变温椭偏测量装置中高温加热腔内样品的理论穆勒矩阵MS；所述穆勒矩阵MS中包括椭偏参数Ψ1和Δ1，分别表示经过所述样品的反射光束相对于入射光束的偏振态改变量，即振幅比角和相位差角；

第三穆勒矩阵建立模块，用于所述穆勒矩阵W和MS建立所述变温椭偏测量装置的整体穆勒矩阵为M＝WMSW，并将所述穆勒矩阵M归一化为矩阵Mn，由此得到参数Ψ2、Δ2、m13、Ψ1、Δ1以及所述矩阵Mn中各元素之间的关系；

光谱测量控制模块，用于利用所述高温加热腔将所述样品加热至不同的温度，并相应测量各温度下所述变温椭偏测量装置的光谱穆勒矩阵；

计算拟合模块，用于根据参数Ψ2、Δ2、m13、Ψ1、Δ1以及所述矩阵Mn中各元素之间的关系计算各温度下所述椭偏参数Ψ1和Δ1的光谱，并反演拟合得到所述样品的高温光学常数；

其中，所述变温椭偏测量装置由椭偏仪搭载高温加载装置构成；

建立变温椭偏测量装置中石英玻璃窗在斜入射情况下的穆勒矩阵W，包括：采用双旋转补偿器型穆勒矩阵变温椭偏测量装置，对所述石英玻璃进行透射椭偏测量，以得到不同入射角度下，所述石英玻璃的穆勒矩阵和对应的椭偏参数；

在误差允许范围内对所述石英玻璃在各入射角度下的穆勒矩阵进行简化，将各入射角度下的穆勒矩阵统一表示为除了元素0和1外，仅包含所述椭偏参数Ψ2和Δ2以及所述参数m13的形式，将统一之后的穆勒矩阵作为所述石英玻璃窗在斜入射情况下的穆勒矩阵W。

说明书

石英玻璃窗偏振效应原位校准的光学常数测量方法及装置

技术领域

[0001] 本发明属于偏振光学测量领域，更具体地，涉及一种石英玻璃窗偏振效应原位校准的光学常数测量方法及装置。

背景技术

[0002] 当存在外界温度加载条件时，材料的光学常数会呈现出随温度变化而变化的特性，对材料光学常数的温度依赖性进行准确表征是开展诸多材料热物性与热辐射特性的必
要前提。然而，温度加载条件下材料光学常数测量实验研究通常需要将待测样品放置于密
闭腔体内，密闭腔体上的观察窗会影响各种光学测量方法的实施，从而干扰材料光学常数
的表征。与此同时，当采用光学方法对磁控溅射镀膜过程、电子束蒸发镀膜过程、原子层沉
积镀膜过程或脉冲激光镀膜过程进行原位监控时，这些镀膜设备腔体壁上的观察窗也会影
响光学方法的有效实施。因此，为了满足诸多应用领域内温度依赖性光学常数的测量需求，
也为了确保纳米薄膜制备工艺中光学监控方法的有效实施需求，对处于高温密闭有窗氛围
下材料光学常数的精确表征、“观察窗”材料偏振效应的原位校准均具有十分重要的研究意
义。

[0003] 光谱椭偏仪是一种无损、非接触、快速的表征固体材料光学常数的标准测量仪器，常被用于金属、半导体等材料的表征。在光谱椭偏仪的基础上集成高压或高温模块，可以满
足材料在各种极端条件下的光学表征。基于变温椭偏测量装置能够有效实现材料高温加载
条件下光学常数的表征。该方法能够利用高温加热台将待测样品加热到预期温度，然后对
所测椭偏参数进行拟合分析以得到待测样品的光学常数。

[0004] 要实现对材料光学常数的精确表征就需要校准石英玻璃窗在高温加载下所引入的椭偏参数偏差。现在已有的窗校准方法主要有两种：一种方法是利用在空气下受热时物
理属性也十分稳定的标准样品来标定，分别测量各温度节点下标准样品在加窗和未加窗时
的椭偏参数，通过对比计算来解耦出在不同温度下石英玻璃窗的椭偏参数，从而将其作为
已知量用于其它材料测量时的校准基准；另一种方法是将窗材料视为相位延迟器，构建入
射窗‑样品‑出射窗的整体穆勒矩阵，利用所推导模型将所测穆勒矩阵进行解耦，从而同时
获取石英玻璃窗的穆勒矩阵和样品的椭偏参数。上述两种方法均将石英玻璃窗视为理想的
延迟器，然而，在探测光束斜入射玻璃窗的情况下，玻璃窗存在各向异性。因此，这两种方法
均存在一定的局限性。另外，第二种方法没有考虑温度对相位延迟量的影响。总体而言，由
于存在石英玻璃窗的偏振效应的影响，现有的基于椭偏仪表征样品的光学常数的方法，所
测量得到的样品高温光学常数往往存在较大误差。

发明内容

[0005] 针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种石英玻璃窗偏振效应原位校准的光学常数测量方法及装置，其目的在于，在测量样品的高温光学常数的过程中，对石英
玻璃窗的偏振效应进行原位校准，以解决现有测量方法的测量结果存在较大误差的技术问
题。

[0006] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种石英玻璃窗偏振效应原位校准的光学常数测量方法，包括：

[0007] 分别建立变温椭偏测量装置中石英玻璃窗在斜入射情况下的穆勒矩阵W和变温椭偏测量装置中高温加热腔内样品的理论穆勒矩阵MS；穆勒矩阵W中包括椭偏参数Ψ2和Δ2以
及参数m13，Ψ2和Δ2分别表示经过石英玻璃窗的反射光束相对于入射光束的偏振态改变
量，即振幅比角和相位差角，m13表示穆勒矩阵W中第一行第三列的元素，穆勒矩阵W中第三行
第一列元素与m13相等；穆勒矩阵MS中包括椭偏参数Ψ1和Δ1，分别表示经过样品的反射光束
相对于入射光束的偏振态改变量，即振幅比角和相位差角；

[0008] 根据穆勒矩阵W和MS建立变温椭偏测量装置的整体穆勒矩阵为M＝WMSW，并将穆勒矩阵M归一化为矩阵Mn，由此得到参数Ψ2、Δ2、m13、Ψ1、Δ1以及矩阵Mn中各元素之间的关系；

[0009] 利用高温加热腔将样品加热至不同的温度，并相应测量各温度下变温椭偏测量装置的光谱穆勒矩阵，以根据参数Ψ2、Δ2、m13、Ψ1、Δ1以及矩阵Mn中各元素之间的关系计算
各温度下椭偏参数Ψ1和Δ1的光谱，并反演拟合得到样品的高温光学常数；

[0010] 其中，变温椭偏测量装置由椭偏仪搭载高温加载装置构成。

[0011] 本发明单独获得石英玻璃窗在斜入射情况下的穆勒矩阵，以及样品的理论穆勒矩阵，并由此计算整体穆勒矩阵，得到了待求解的样品椭偏参数Ψ1、Δ1与石英玻璃窗的穆勒
矩阵中的参数Ψ2、Δ2、m13以及整体穆勒矩阵中各元素Bij之间的关系，从而可以在测得整体
光谱穆勒矩阵之后计算出样品椭偏参数；由于整体光谱穆勒矩阵中包含了石英玻璃窗由于
温度以及各向异性而引入的椭偏参数偏差，本发明从基于测得的整体穆勒矩阵以及参数之
间的关系计算样品的椭偏参数时，能够对石英玻璃窗引入的偏差进行原位校准，有效提高
了样品椭偏参数的测量精度，进而保证了样品高温光学常数的测量精度。

[0012] 由于本发明在测量样品椭偏参数进行测量的过程中，对石英玻璃窗引入的偏差进行原位校准，无需利用标准件进行预测量，免去大量准备工作，简化了整体测量过程。

[0013] 进一步地，建立变温椭偏测量装置中石英玻璃窗在斜入射情况下的穆勒矩阵W，包括：

[0014] 采用双旋转补偿器型穆勒矩阵变温椭偏测量装置，对石英玻璃进行透射椭偏测量，以得到不同入射角度下，石英玻璃的穆勒矩阵和对应的椭偏参数；

[0015] 在误差允许范围内对石英玻璃在各入射角度下的穆勒矩阵进行简化，将各入射角度下的穆勒矩阵统一表示为除了元素0和1外，仅包含椭偏参数Ψ2和Δ2以及参数m13的形
式，将统一之后的穆勒矩阵作为石英玻璃窗在斜入射情况下的穆勒矩阵W。

[0016] 本发明通过上述方式建立石英玻璃窗在斜入射情况下的穆勒矩阵W，能够准确反映石英玻璃窗对于斜入射的偏振光的作用，进一步保证样品椭偏参数及高温光学常数测量
的准确性。

[0017] 进一步地，穆勒矩阵W的表达式为：

[0018]

[0019] 进一步地，参数Ψ2、Δ2、m13、Ψ1、Δ1以及矩阵Mn中各元素之间的关系为：

[0020]

[0021]

[0022]

[0023]

[0024]

[0025]

[0026]

[0027]

[0028] 其中，Bij表示矩阵Mn中第i行第j列元素，i∈{1,2,3,4}，j∈{1,2,3,4}。

[0029] 进一步地，对于任意温度Tm、任意波长λ处的穆勒矩阵Mm，将其作为对应的矩阵Mn，则椭偏参数Ψ1和Δ1的计算方式为：

[0030] 根据如下公式(I)或(II)计算参数m13：

[0031] (I)：

[0032] (II)：

[0033] 将参数m13的值代入如下公式(III)，以计算椭偏参数Ψ1：

[0034] (III)：

[0035] 将参数Ψ1的值代入如下公式(IV)，以计算椭偏参数Δ1：

[0036] (IV)：

[0037] 进一步地，本发明提供的石英玻璃窗偏振效应原位校准的光学常数测量方法，还包括：

[0038] 将参数m13的值代入如下公式(V)，以计算椭偏参数Ψ2：

[0039] (V)：

[0040] 将参数m13、椭偏参数Ψ1、椭偏参数Δ1和椭偏参数的Ψ2值代入如下公式(VI)～(IX)之一，以计算椭偏参数Δ2：

[0041] (VI)：

[0042] (VII)：

[0043] (VIII)：

[0044] (IX)：

[0045] 本发明在测得样品椭偏参数的同时，还可以测得石英玻璃窗的穆勒矩阵中的参数。

[0046] 进一步地，在利用高温加热腔将样品加热至不同的温度，并相应测量各温度下变温椭偏测量装置的光谱穆勒矩阵的过程中，高温加热腔中维持还原气氛，以避免待测样品
表面出现热氧化现象。

[0047] 进一步地，利用高温加热腔将样品加热至不同的温度，并相应测量各温度下变温椭偏测量装置的光谱穆勒矩阵的过程中，高温加热腔的进水接口和出水接口之间建立有冷
却水循环管路，以隔绝变温椭偏测量装置中高温加热模块与光学常数测量模块之间的热量
传播。

[0048] 进一步地，本发明提供的石英玻璃窗偏振效应原位校准的光学常数测量方法，还包括：在利用高温加热腔将样品加热至不同的温度，并相应测量各温度下变温椭偏测量装
置的光谱穆勒矩阵之前，对变温椭偏测量装置进行对准，以使从起偏臂出来的出射光经样
品后能以进入检偏器，并使进入检偏器的光强最大。

[0049] 按照本发明的另一个方面，提供了一种石英玻璃窗偏振效应原位校准的光学常数测量装置，包括：

[0050] 第一穆勒矩阵建立模块，用于建立变温椭偏测量装置中石英玻璃窗在斜入射情况下的穆勒矩阵W；穆勒矩阵W中包括椭偏参数Ψ2和Δ2以及参数m13，Ψ2和Δ2分别表示经过石
英玻璃窗的反射光束相对于入射光束的偏振态改变量，即振幅比角和相位差角，m13表示穆
勒矩阵W中第一行第三列的元素，穆勒矩阵W中第三行第一列元素与m13相等；

[0051] 第二穆勒矩阵建立模块，用于建立变温椭偏测量装置中高温加热腔内样品的理论穆勒矩阵MS；穆勒矩阵MS中包括椭偏参数Ψ1和Δ1，分别表示经过样品的反射光束相对于入
射光束的偏振态改变量，即振幅比角和相位差角；

[0052] 第三穆勒矩阵建立模块，用于穆勒矩阵W和MS建立变温椭偏测量装置的整体穆勒矩阵为M＝WMSW，并将穆勒矩阵M归一化为矩阵Mn，由此得到参数Ψ2、Δ2、m13、Ψ1、Δ1以及矩
阵Mn中各元素之间的关系；

[0053] 光谱测量控制模块，用于利用高温加热腔将样品加热至不同的温度，并相应测量各温度下变温椭偏测量装置的光谱穆勒矩阵；

[0054] 计算拟合模块，用于根据参数Ψ2、Δ2、m13、Ψ1、Δ1以及矩阵Mn中各元素之间的关系计算各温度下椭偏参数Ψ1和Δ1的光谱，并反演拟合得到样品的高温光学常数；

[0055] 其中，变温椭偏测量装置由椭偏仪搭载高温加载装置构成。

[0056] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

[0057] (1)本发明单独获得石英玻璃窗在斜入射情况下的穆勒矩阵，以及样品的理论穆勒矩阵，并由此计算整体穆勒矩阵，得到了待求解的样品椭偏参数与石英玻璃窗的穆勒矩
阵中的参数以及整体穆勒矩阵中各元素之间的关系，从而可以在测得整体光谱穆勒矩阵之
后计算出样品椭偏参数；由于整体光谱穆勒矩阵中包含了石英玻璃窗由于温度以及各向异
性而引入的椭偏参数偏差，本发明从基于测得的整体穆勒矩阵以及参数之间的关系计算样
品的椭偏参数时，能够对石英玻璃窗引入的偏差进行原位校准，有效提高了样品椭偏参数
的测量精度，进而保证了样品高温光学常数的测量精度。

[0058] (2)本发明在测量样品椭偏参数进行测量的过程中，对石英玻璃窗引入的偏差进行原位校准，无需利用标准件进行预测量，免去大量准备工作，简化了整体测量过程。

[0059] (3)由于本发明能够对石英玻璃窗的偏振效应进行原位校准，因此，不受温度影响，能够在非常宽的温度范围内准确测量样品的椭偏参数及高温光学常数；实验表明，本发
明在300K～1200K的温度范围内都能实现样品椭偏参数的准确测量。

[0060] (4)本发明可应用于校准不同材料的窗带来的偏振效应，还能适用于各种具有各向同性的样品，因此，本发明具有良好的可拓展性。

附图说明

[0061] 图1为本发明所涉及的变温测量椭偏装置的结构示意图；

[0062] 图2为本发明实施例提供的石英玻璃窗偏振效应原位校准的光学常数测量方法流程图；

[0063] 图3为本发明实施例提供的石英玻璃窗在斜入射情况下的穆勒矩阵W的建立示意图；

[0064] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

[0065] 10‑第一光源，20‑第一消色差会聚透镜，30‑偏振态产生器，40‑石英玻璃窗，50‑进气接口，51‑出气接口，60‑进水接口，61‑出水接口，70‑待测样品，80‑高温加热台，90‑高温
台控制器，100‑高温加热腔，110‑孔径光阑，120‑偏振态分析器，130‑第二消色差会聚透镜，
140‑光谱仪。

具体实施方式

[0066] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要
彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0067] 在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

[0068] 为了解决由于温度和各向异性的影响，石英玻璃窗的偏振效应会在样品椭偏参数及高温光学常数测量过程中引入偏差，导致样品椭偏参数及高温光学常数测量结果存在较
大误差的技术问题，本发明提供了一种石英玻璃窗偏振效应原位校准的光学常数测量方法
及装置，其整体思路在于：单独获取石英玻璃窗在斜入射情况下的穆勒矩阵，以及样品的理
论穆勒矩阵，以计算变温椭偏测量装置的整体穆勒矩阵，使该穆勒矩阵中包含石英玻璃窗
引入的偏差，并获得待求解的样品椭偏参数与石英玻璃窗的穆勒矩阵中的参数以及整体穆
勒矩阵中各元素之间的关系；利用变温椭偏测量装置将样品加热至不同温度并测量相应的
光谱穆勒矩阵，从而利用参数之间的关系计算样品椭偏参数，并在计算过程中实现对石英
玻璃窗偏振效应的原位校准，保证样品椭偏参数的测量准确度，进一步保证反演拟合得到
的样品高温光学常数的准确度。

[0069] 在详细解释本发明的技术方案之前，先对本发明所涉及的变温椭偏测量装置的结构进行简要介绍。本发明所涉及的变温椭偏测量装置由椭偏仪搭载高温加载装置构成，如
图1所示，该变温椭偏测量装置包括光学常数测量模块和高温加热模块，其中，光学常数测
量模块包括入射起偏光路、反射检偏光路以及石英玻璃窗40，入射起偏光路和反射检偏光
路关于石英玻璃窗40对称布置，入射起偏光路包括宽光谱光源10、第一消色差会聚透镜20
和偏振态产生器30，反射检偏光路依次包括孔径光阑110、偏振态分析器120、第二消色差会
聚透镜130和光谱仪140。

[0070] 高温加热模块包括高温加热腔100，该高温加热腔100的内部为中空结构，石英玻璃窗40水平嵌于高温加热腔上表面，使得入射光路能够顺利通过石英玻璃窗40照射到该高
温加热腔100内。该高温加热腔100的内部还设有用于放置待测样品70的高温加热台80，其
中，该高温加热台80设于所述石英玻璃窗40的正下方，以使得待测样品70的中心轴线与入
射起偏光路和反射检偏光路的对称轴共线。高温加热台80与高温台控制器90连接，进而在
测量过程中，根据测量的需求，高温台控制器90可实时加热高温加热台80，使得待测样品70
处于所需的温度。进一步的，高温加热腔100上还设置有进气接口50和出气接口51，用于为
高温加热腔100构建气体氛围。进一步的，高温加热腔100的外壁还设有水循环单元，该水循
环单元一端与进水接口60连接，另一端与出水接口61连接，从而形成一个水循环回路。

[0071] 以下为实施例。

[0072] 实施例1：

[0073] 一种石英玻璃窗偏振效应原位校准的光学常数测量方法，如图2所示，包括：

[0074] 分别建立变温椭偏测量装置中石英玻璃窗在斜入射情况下的穆勒矩阵W和变温椭偏测量装置中高温加热腔内样品的理论穆勒矩阵MS；穆勒矩阵W中包括椭偏参数Ψ2和Δ2以
及参数m13，Ψ2和Δ2分别表示经过石英玻璃窗的反射光束相对于入射光束的偏振态改变
量，即振幅比角和相位差角，m13表示穆勒矩阵W中第一行第三列的元素，穆勒矩阵W中第三行
第一列元素与m13相等；穆勒矩阵MS中包括椭偏参数Ψ1和Δ1，分别表示经过样品的反射光束
相对于入射光束的偏振态改变量，即振幅比角和相位差角；

[0075] 根据穆勒矩阵W和MS建立变温椭偏测量装置的整体穆勒矩阵为M＝WMSW，并将穆勒矩阵M归一化为矩阵Mn，由此得到参数Ψ2、Δ2、m13、Ψ1、Δ1以及矩阵Mn中各元素之间的关系；

[0076] 利用高温加热腔将样品加热至不同的温度，并相应测量各温度下变温椭偏测量装置的光谱穆勒矩阵(即穆勒矩阵中元素随波长λ变化的曲线)，以根据参数Ψ2、Δ2、m13、Ψ1、
Δ1以及矩阵Mn中各元素之间的关系计算各温度下椭偏参数Ψ1和Δ1的光谱，并反演拟合得
到样品的高温光学常数；

[0077] 作为一种可选的实施方式，本实施例，建立变温椭偏测量装置中石英玻璃窗在斜入射情况下的穆勒矩阵W，包括：

[0078] 如图3所示，采用双旋转补偿器型穆勒矩阵变温椭偏测量装置，对石英玻璃进行透射椭偏测量，以得到不同入射角度下，石英玻璃的穆勒矩阵和对应的椭偏参数；本实施例
中，石英玻璃窗为圆片状，厚度大约为1mm，直径为40mm，在测量时，设置入射角从0°到70°，
间隔5°，多次测量得到各入射角度对应的穆勒矩阵以及椭偏参数；

[0079] 在误差允许范围内对石英玻璃在各入射角度下的穆勒矩阵进行简化，将各入射角度下的穆勒矩阵统一表示为除了元素0和1外，仅包含椭偏参数Ψ2和Δ2以及参数m13的形
式，将统一之后的穆勒矩阵作为石英玻璃窗在斜入射情况下的穆勒矩阵W；

[0080] 以误差允许范围为0.003为例，对测量各个入射角度下的穆勒矩阵的数值观察得到，有些元素在所有入射角度下均很小(小于0.003)，因此认为这些元素为0；同理有些元素
认为是1；接着在各个入射角度下，将第一行第二列穆勒矩阵元素m12的值与‑cos2Ψ的值相
减得到的差很小(小于0.003)，因此将该元素用椭偏参数的表达式‑cos2Ψ来表示，同理可
以得到其他一些元素；此外第一行第三列元素m13以及第三行第一列元素m31有一定的值不
能忽略为0且无法用椭偏参数表示，因此留有这个未知数，再将m13和m31相减，得到差值很小
(小于0.003)，因此认为两者相同，将m31用m13表示；

[0081] 最终，本实施例中，所建立的穆勒矩阵W的表达式为：

[0082]

[0083] 在穆勒矩阵W中，除了m13以及一些为0或者1的元素外，其他元素的值可以用它的椭偏参数Ψ2和Δ2的表达式来代替；

[0084] 基于上述分析可知，无论入射角度为多少，石英玻璃窗的穆勒矩阵W均可利用椭偏参数Ψ2和Δ2以及参数m13来表示；因此，本实施例通过上述方式建立石英玻璃窗在斜入射
情况下的穆勒矩阵W，能够准确反映石英玻璃窗对于斜入射的偏振光的作用，进一步保证样
品椭偏参数及高温光学常数测量的准确性。

[0085] 本实施例所适用的样品为具有各向同性的样品，其理论穆勒矩阵MS表达式如下：

[0086]

[0087] 由于变温椭偏测量装置对入射偏振光的作用包括入射光透过石英玻璃窗、待测样品反射、出射光透过石英玻璃窗三个部分，相应地，M＝WMSW，穆勒矩阵M中包含了石英玻璃
窗的偏振影响；以Aij表示变温椭偏测量装置的整体穆勒矩阵M中第i行第j列(i∈{1,2,3,
4}，j∈{1,2,3,4})的元素，将穆勒矩阵M中各元素都除以A11元素即可得到归一化的穆勒矩
阵Mn；穆勒矩阵M和Mn均具有对称性和逆对称性；以Bij表示穆勒矩阵Mn中第i行第j列(i∈{1,
2,3,4}，j∈{1,2,3,4})的元素，则穆勒矩阵Mn中各元素的表达式如下：

[0088] B11＝1；

[0089]

[0090]

[0091]

[0092]

[0093]

[0094]

[0095]

[0096] B24＝0；

[0097]

[0098] 为了对待求解的样品椭偏参数与石英玻璃窗的穆勒矩阵中的参数以及整体穆勒矩阵中各元素之间的关系进行更为简洁的表达，对上述穆勒矩阵Mn中各元素的表达式进行
如下变换处理：

[0099]

[0100]

[0101] 由公式(2)，可以将B22、B44、B12、B23、B34、B13、B14分别改写为：

[0102]

[0103]

[0104]

[0105]

[0106]

[0107]

[0108]

[0109] 由公式(2)‑(3)得：

[0110] 即

[0111]

[0112] 由公式(4)2+(7)2可得：

[0113] 即

[0114]

[0115] 由公式(5)+2(6)可得：

[0116]

[0117] 由公式(11)2+(12)2可得：

[0118] 即

[0119]

[0120] 由公式(3)和(13)可得：

[0121]

[0122] 由公式(8)‑(14)可得：

[0123]

[0124] 由公式(15)2+(9)2可得：

[0125]

[0126] 由公式(11)/(13)可得：

[0127]

[0128] 由公式(17)2*(13)可得：

[0129]

[0130] 由公式(16)＝(18)可得：

[0131]

[0132] 将公式(19)两边同乘m13(B33‑B44)2可得：

[0133] 基于上述公式推导，本实施例中，对于任意温度Tm、任意波长λ处的穆勒矩阵Mm，将其作为对应的矩阵Mn，则椭偏参数Ψ1和Δ1的计算方式为：

[0134] 根据如下公式(I)或(II)计算参数m13：

[0135] (I)：

[0136] (II)：

[0137] 将参数m13的值代入如下公式(III)，以计算椭偏参数Ψ1：

[0138] (III)：

[0139] 将参数Ψ1的值代入如下公式(IV)，以计算椭偏参数Δ1：

[0140] (IV)：

[0141] 本实施例还可同时测得石英玻璃窗的穆勒矩阵中各参数的值，相应地，本实施例还包括：

[0142] 将参数m13的值代入如下公式(V)，以计算椭偏参数Ψ2：

[0143] (V)：

[0144] 将参数m13、椭偏参数Ψ1、椭偏参数Δ1和椭偏参数的Ψ2值代入如下公式(VI)～(IX)之一，以计算椭偏参数Δ2：

[0145] (VI)：

[0146] (VII)：

[0147] (VIII)：

[0148] (IX)：

[0149] 本实施例中，对样品进行加热时，待测样品70放置于高温加热台80的承样面上，盖上石英玻璃窗40，密闭高温加热腔100，并利用真空泵对高温加热腔100反复抽真空，随后利
用进气接口50和出气接口51向高温加热腔100持续导入H2和Ar的混合气体，以产生还原气
氛，从而避免待测样品表面可能出现的热氧化现象；利用进水接口60和出水接口61建立冷
却水循环管路，以隔绝高温加热模块与光学常数测量模块之间的热量传播；

[0150] 利用高温台控制器90控制高温加热台80，从300K一直加热到1200K，并在间隔100K的各个温度节点处，保持温度稳定的持续时间为2min至10min，并在各个温度节点处对待测
样品70进行测量，并记录各个温度节点Tm下的光谱穆勒矩阵；

[0151] 利用测量得到的不同温度节点Tm对应的穆勒矩阵Mm即可计算得到不同温度下待测样品70的真实椭偏参数Ψ1和Δ1，通过反演拟合即可得到包含样品的折射率n和消光系数k
的高温光学常数。

[0152] 本实施例还包括，在利用高温加热腔将样品加热至不同的温度，并相应测量各温度下变温椭偏测量装置的光谱穆勒矩阵之前，对变温椭偏测量装置进行对准，以使从起偏
臂出来的出射光经样品后能以进入检偏器，并使进入检偏器的光强最大。

[0153] 总体而言，本实施例单独获得石英玻璃窗在斜入射情况下的穆勒矩阵，以及样品的理论穆勒矩阵，并由此计算整体穆勒矩阵，得到了待求解的样品椭偏参数Ψ1、Δ1与石英
玻璃窗的穆勒矩阵中的参数Ψ2、Δ2、m13以及整体穆勒矩阵中各元素Bij之间的关系，从而可
以在测得整体光谱穆勒矩阵之后计算出样品椭偏参数；由于整体光谱穆勒矩阵中包含了石
英玻璃窗由于温度以及各向异性而引入的椭偏参数偏差，本实施例从基于测得的整体穆勒
矩阵以及参数之间的关系计算样品的椭偏参数时，能够对石英玻璃窗引入的偏差进行原位
校准，有效提高了样品椭偏参数的测量精度，进而保证了样品高温光学常数的测量精度。此
外，由于本实施例在测量样品椭偏参数进行测量的过程中，对石英玻璃窗引入的偏差进行
原位校准，无需利用标准件进行预测量，免去大量准备工作，简化了整体测量过程。

[0154] 实施例2：

[0155] 一种石英玻璃窗偏振效应原位校准的光学常数测量装置，包括：

[0156] 第一穆勒矩阵建立模块，用于建立变温椭偏测量装置中石英玻璃窗在斜入射情况下的穆勒矩阵W；穆勒矩阵W中包括椭偏参数Ψ2和Δ2以及参数m13，Ψ2和Δ2分别表示经过石
英玻璃窗的反射光束相对于入射光束的偏振态改变量，即振幅比角和相位差角，m13表示穆
勒矩阵W中第一行第三列的元素，穆勒矩阵W中第三行第一列元素与m13相等；

[0157] 第二穆勒矩阵建立模块，用于建立变温椭偏测量装置中高温加热腔内样品的理论穆勒矩阵MS；穆勒矩阵MS中包括椭偏参数Ψ1和Δ1，分别表示经过样品的反射光束相对于入
射光束的偏振态改变量，即振幅比角和相位差角；

[0158] 第三穆勒矩阵建立模块，用于穆勒矩阵W和MS建立变温椭偏测量装置的整体穆勒矩阵为M＝WMSW，并将穆勒矩阵M归一化为矩阵Mn，由此得到参数Ψ2、Δ2、m13、Ψ1、Δ1以及矩
阵Mn中各元素之间的关系；

[0159] 光谱测量控制模块，用于利用高温加热腔将样品加热至不同的温度，并相应测量各温度下变温椭偏测量装置的光谱穆勒矩阵；

[0160] 计算拟合模块，用于根据参数Ψ2、Δ2、m13、Ψ1、Δ1以及矩阵Mn中各元素之间的关系计算各温度下椭偏参数Ψ1和Δ1的光谱，并反演拟合得到样品的高温光学常数；

[0161] 其中，变温椭偏测量装置由椭偏仪搭载高温加载装置构成；

[0162] 本实施例中，各模块的具体实施方式可参考上述方法实施例中的描述，在此将不作复述。

[0163] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。