Принято считать, что эллиптическая поляризация - это наиболее общее
состояние поляризованного света, а линейную и круговую рассматривают как
ее частные случаи. Это утверждение вытекает непосредственно из уравнения
эллипса. Описывают эллиптически поляризованный свет двумя способами, в
зависимости от выбранной системы координат.
Предположим, что ось Z системы координат XYZ направлена вдоль луча
света. Тогда конец электрического вектора Е опишет в плоскости XOY
эллипс (рис. 65). Спроецируем амплитуду колебаний вектора Е на оси ОХ и
OY. Соотношение полученных проекций y(y=arctg
хАх/Ау) и разность фаз Д(Д=Дх - Ду) между
ортогональными компонентами света достаточно полно опишут эллиптическую
поляризацию.
Если теперь оси координат X'OY' совместить с осями эллипса, то
эллиптическую поляризацию можно описать двумя другими параметрами:
эллиптичностью у и углом наклона х большой оси эллипса относительно оси
ОХ. Первый параметр дает представление о форме эллипса, а второй - об
ориентации его в пространстве. Уточним понятие эллиптичности. Это
отношение меньшей и большей полуосей эллипса (y=+-arctg
х б/а)
Рис 65. Эллипс поляризации: а,
b - большая и малая полуоси эллипса; Ах, Ау -
амплитуды колебаний вектора поляризации
Оба подхода к описанию эллиптической поляризации равноценны. Более
того, существуют простые математические соотношения, которые связывают
все четыре параметра (у, х> А. Ф) и позволяют перейти от одной системы
координат к другой.
Экспериментально эллиптичность излучения оценивают с помощью приборов,
называемых эллипсометрами. Но определить состояние поляризации - это не
сама цель эллипсометрии, как впрочем любого другого поляризационного
метода. Значительно интересней проследить за изменением состояния
поляризации при взаимодействии света с веществом. Это дает информацию об
оптических константах вещества (показателях преломления п и поглощения
х), его диэлектрической постоянной е и даже толщине d. С помощью
эллипсометра можно наблюдать явления, происходящие как на границах
раздела сред, так и в тонких пленках. Особая ценность эллипсометрии в
том, что она практически не влияет на исследуемую среду, т. е. это
неразрушающий метод контроля. Этим объясняется высокий интерес к
эллипсометрии физиков и химиков. Особенно большое внимание уделяется
изучению с помощью эллипсометрии тонких пленок. В электрохимии,
например, таким путем исследуют процессы образования и роста окисных
пленок на
электродах. В полупроводниковой промышленности с помощью эллипсометров
исследуют окисление полупроводников в различных средах. Последнее
особенно важно при производстве микросхем. Используют эллипсометрию в
биологии и медицине. Типичный пример - это исследование толщины
клеточных оболочек после заражения вирусом. Или другой пример. Известно,
что кровь, соприкасаясь с чужеродной средой, свертывается. Изучение
этого процесса очень важно при создании искусственных органов (сердца,
почек и т. д.) и при консервировании крови. Как видим, диапазон
применения эллипсометрии очень широк. В зависимости от поставленной
задачи меняется и подход к ее решению.
Различают эллипсометрию отражения, пропускания и рассеяния.
Эллипсометрией отражения пользуются обычно для исследования тонких
пленок. Эллипсометрию пропускания применяют для изучения
двулучепреломления, естественного или искусственного, в прозрачных
средах. Эллипсометрия рассеяния служит для наблюдения за облаками,
туманом, а в астрономии - за планетными атмосферами и межпланетной
пылью.
Познакомимся с самой сутью эллипсометрического метода. В его основе
лежит сравнение поляризации до взаимодействия света с веществом и после
взаимодействия. Информацию об изменении поляризации дают измеренные углы
у и х или Д и ф. По результатам измерений вычисляют коэффициенты
отражения или пропускания света, поляризованного в плоскости падения и в
перпендикулярной плоскости. Затем находят связь их с константами
вещества л, х, е и его толщиной d. Но вся сложность метода заключалась
именно в этом расчете, так как он оказался очень громоздким, что служило
долгое время препятствием к широкому применению эллипсометрии. С
развитием вычислительной техники удалось устранить трудность вычисления,
и сейчас эллипсометрия широко применяется в науке и технике.
Рассмотрим схемы эллипсометров. Все известные приборы, независимо от их
назначения (отражательные или пропускающие), строятся по двум
классическим схемам - нулевой и фотометрической.
