175-200nm波長范圍的光學性能是應用于深紫外光學器件的關鍵指標，特別是190-200nm的偏振參數，將直接影響增大數值孔徑后成像的質量，偏振參數的高精度檢測是對其成像質量進行有效調控的前提。

本文主要介紹采用珀金埃爾默紫外/可見/近紅外光譜儀、自動消偏起偏整合偏振系統、TAMS可變角度測試附件，測試樣品不同角度下絕對反射率、透射率數據，實現190nm-2500nm自動變角度透射反射偏振光學性能的精確表征。

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

當光線以非垂直角度照射光學元件的表面時，反射光特性依賴于偏振現象。這種情況下，使用的坐標系是用含有輸入和反射光束的那個平面定義的。如果光線的偏振矢量在這個平面內，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都可以表示為P和S分量的矢量和。

圖2 偏振光方向對于反射表面的入射光平面定義

根據菲涅爾方程可計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，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

考慮目前經典分光光度計結構，一般采用反射光柵設計，設備內部有多個光學反射鏡，測試光照射到待檢測樣品前，測試光的偏振分量已發生部分分化。當測試大角度（一般指大于15度）的透射和反射時，在樣品的測試界面，P-偏振和S-偏振分量加大，會導致同一樣品多次測試，測試結果不一致，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過起偏器，轉動起偏器分別生成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，會將每一次的測量誤差帶入測量結果。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，在設備光束出射前，加入消偏裝置，將發生部分偏振光分化的測試光，重新變為各項同性的圓偏光，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據，更有利于消偏比等檢測項目。

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，為了P偏振光和S偏振光測試的準確性，一般建議將測試光先通過消偏裝置，將發生部分偏振光分化的測試光，變為各向同性的圓偏光，再經過起偏裝置，起偏后的線偏振光照射樣品，到達檢測器完成檢測。

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。因為在未標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，也是不能達到消偏比測試要求的原因之一。這時需要固定樣品位置，自動旋轉起偏驅動器，找到偏振測試最大值和最小值所對應的角度，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 自動旋轉角度起偏驅動器

由于光學起偏材料、結構設計的限制，普通用于分光光度計的起偏材料，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，需要特殊設計和加工。以下是一種新型可用于200nm以下深紫外區的起偏晶體，193nm處消偏比大于10000:1，與分光光度計配套使用，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據，自動測試樣品不同角度下P光和S光下透射率曲線，一次設置即可完成所有角度在不同偏振態下透射率曲線測試，測試曲線如下圖所示。

圖9 樣品不同角度和偏振態下透射率測試數據

圖10 石英樣品45度下偏振P光和S光反射數據

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+自動消偏起偏整合偏振系統+TAMS可變角度測試附件

本文總結

綜上，由Lambda1050+光譜儀、自動消偏起偏整合偏振系統、TAMS可變角度測試附件等幾部分，主要組成的深紫外自動變角度透射反射偏振光譜測試解決方案，具有以下特點：

1) 偏振測試有效工作波長范圍：190-2600nm；

2) 消偏裝置：自動消偏器，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據，可自由選擇兩種數據修正測試方式；

3) 起偏裝置193nm處消偏比：大于10000:1；

4) 起偏裝置可自動以0.25度步進連續旋轉，標示出樣品的偏振方向；

5) 自動變角度透射反射測試，軟件控制透射反射角度自動測試，透射0°-80°連續可調，反射7.5°- 80°連續可調，角度分辨率0.01°