快速全光谱反射差分光谱仪的研究

摘要

反射差分光谱仪是一种对表面光学各向异性具有高灵敏度的新型光学测量仪器，在半导体材料表面分析与加工、金属表面研究、液晶器件检测等领域已获得成功应用。随着应用范围的不断扩展，仪器综合性能朝更高的方向发展，快速全光谱并行测量型仪器是主要发展方向之一。本论文围绕这一主题，首先对光弹调制式单通道仪器进行了多通道改造，搭建了一台双通道并行测量样机；在此基础上，提出了旋转补偿器式多通道并行、快速测量型反射差分光谱仪的概念，并完成第一台以旋转补偿器为调制技术的反射差分光谱仪。经过与光弹调制式单通道商用仪器实验结果的比对，新型仪器在保持相同测量精度的同时，将全光谱的测量时间缩短为原有的1/10，较好地将快速测量与全光谱并行测量的特点融于一体。按照工作开展的顺序，课题的研究内容和成果可归纳为以下几个方面： 1.对单通道光弹调制器式仪器进行多通道改造，创新性地提出基于数据采集板与计算机虚拟技术的采集方案，实验分析了采集板性能和数据处理方法对测量精度的影响，如快速傅里叶变换和锁相放大技术，并创新性地提出两种普适公式用于校正多通道测量中光弹调制器的位相延迟随波长非线性变化造成的误差。 2.首次提出旋转补偿器式反射差分光谱仪的概念，并通过建立数学模型，分析了仪器多种误差源，如器件自身缺陷、光学器件装配误差、传感器测量误差等，与测量结果间存在的数学联系，创新性地提出基于起偏器方位角的系统误差标定方法和旋转起偏器消除系统误差的在线校正方法。针对数据的采集与处理，创新性地提出基于实时读取补偿器旋转角度与最小二乘法的方案。 3.开发第一台旋转补偿器式多功能反射差分光谱仪，仪器包括光学测量系统，电子控制系统以及软件等部分。在仪器控制环节提出数据同步采集机制。 4.系统地测试并分析了光源、探测器、补偿器等器件自身可能存在的缺陷及其对仪器测量性能的影响，讨论了处理光谱数据的几种数学方法，并利用单通道光弹调制式商用机，对旋转补偿器式仪器的性能进行了对比性测试。 5.采用旋转补偿器式仪器实际测试多种样品，进一步评价新仪器性能，同时指出存在的不足。实验结果显示，无论是相对值远小于1的微弱反射差分信号，还是接近1的强信号，旋转补偿器式仪器都能准确测量，且测量速度10倍快于单通道商用机。实验还表明，反射差分光谱仪对亚纳米量级的样品表层原子结构、纳米量级表面原子团簇以及亚微米尺度微加工结构在表面二维空间呈现的各向异性都具有极高的灵敏度。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章绪论

1.1反射差分光谱的物理学基础

1.1.1引言

1.1.2反射差分信号与多层模型

1.2反射差分光谱仪的发展与应用

1.2.1反射差分光谱仪的发展历程与趋势

1.2.2反射差分光谱仪的应用

1.3课题研究背景与论文主要内容

第二章多通道光弹调制器式反射差分光谱仪的开发

2.1多通道信号采集与数据处理的实现

2.1.1光弹调制器式RDS基本原理

2.1.2多通道光弹调制器式RDS的实现

2.2光弹调制器位相延迟在多通道测量中的修正技术

2.2.1波长修正法

2.2.2改进的波长修正法

2.2.3驱动电压修正法

2.3仪器精度分析与双通道测试实验

2.3.1仪器测量精度

2.3.2双通道光弹调制器式RDS仪器测试

第三章旋转补偿器式反射差分光谱仪的理论研究

3.1数学模型

3.2信号采集与数据处理

3.3仪器误差的理论分析

3.3.1光学器件缺陷与方位角误差

3.3.2光源照明波动与探测器感应噪声误差

3.3.3角度传感器测量误差

3.4系统误差标定及校正

第四章旋转补偿器式反射差分光谱仪的仪器设计

4.1仪器整体设计

4.2器件选择与光学测量系统

4.2.1光源

4.2.2光学器件及布局

4.2.3光谱分离器和探测器

4.2.4马达与角度传感器

4.2.5同步触发器

4.3仪器控制与数据传输

4.4操作软件与数据处理

第五章旋转补偿器式仪器性能测试与分析

5.1光源对测量精度的影响

5.1.1氙灯稳定性测试

5.1.2氘灯稳定性测试

5.2 CCD对测量精度的影响

5.3补偿器对测量精度的影响

5.4改善信号质量的数学方法

5.5仪器测量性能评价

第六章样品测试

6.1原子团簇在蓝宝石表面二维空间分布的测试

6.2表面纳米级微结构的测试

第七章总结与展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢