175-200nm波长范围的光学性能是应用于深紫外光学器件的关键指标，特别是190-200nm的偏振参数，将直接影响增大数值孔径后成像的质量，偏振参数的高精度检测是对其成像质量进行有效调控的前提。

本文主要介绍采用珀金埃尔默紫外/可见/近红外光谱仪、自动消偏起偏整合偏振系统、TAMS可变角度测试附件，测试样品不同角度下绝对反射率、透射率数据，实现190nm-2500nm自动变角度透射反射偏振光学性能的精确表征。

光是一种电磁波，是典型的横波，电场和磁场的方向与光的传播方向垂直。

图1 光的电磁波特性示意图

当光线以非垂直角度照射光学元件的表面时，反射光特性依赖于偏振现象。这种情况下，使用的坐标系是用含有输入和反射光束的那个平面定义的。如果光线的偏振矢量在这个平面内，则称为P-偏振，如果偏振矢量垂直于该平面，则称为S-偏振。任何一种输入偏振状态都可以表示为P和S分量的矢量和。

图2 偏振光方向对于反射表面的入射光平面定义

根据菲涅尔方程可计算出不同折射率材料的布鲁斯特角（通常称为偏振角 ），光线入射角小于布鲁斯特角时，入射角越接近材料的布鲁斯特角，通常P-偏振和S-偏振分量的分化越明显。下面将主要讨论偏振对材料透过率和反射率测试的影响。

（一）总透过率/反射率测试

考虑目前经典分光光度计结构，一般采用反射光栅设计，设备内部有多个光学反射镜，测试光照射到待检测样品前，测试光的偏振分量已发生部分分化。当测试大角度（一般指大于15度）的透射和反射时，在样品的测试界面，P-偏振和S-偏振分量加大，会导致同一样品多次测试，测试结果不一致，需要修正P-偏振和S-偏振的影响。

图3 P-偏振和S-偏振分量的分化

修正的方式有两种，一种是将测试光先经过起偏器，转动起偏器分别生成P偏振光和S偏振光，分别照射样品，将得到的测试结果相加再做除法,得到样品不同角度的透过率或反射率：

透过率或反射率=（P偏振光+S偏振光）/2

以上修正方式需要测试两次样品，在降低测试效率的同时，会将每一次的测量误差带入测量结果。对于具有各向异性的偏振样品测试，无法做到照射到样品前的P偏振光和S偏振光分量强度一致，消偏比测试将增加极大的不确定性。

另一种修正方式是，在设备光束出射前，加入消偏装置，将发生部分偏振光分化的测试光，重新变为各项同性的圆偏光，任意方向的偏振分量保持恒定的大小。这样就可以直接测试不同角度的透射或反射率数据，更有利于消偏比等检测项目。

图4 圆偏振光示意图

图5 软件控制主光束消偏器

（二）P偏振光和S偏振光下的透过率反射率测试

样品需要测试P偏振光和S偏振光分量下的透过率和反射率时，为了P偏振光和S偏振光测试的准确性，一般建议将测试光先通过消偏装置，将发生部分偏振光分化的测试光，变为各向同性的圆偏光，再经过起偏装置，起偏后的线偏振光照射样品，到达检测器完成检测。

图6 P偏振光和S偏振光下的透过率反射率测试

对于各向同性材质的偏振样品，一般无需考虑入射光起偏装置的偏振方向与样品的偏振方向是否重合。

对于常用的各向异性材质的偏振样品（例如偏光膜、石英、红宝石、方解石、a-BBO等），测试样品的P偏振光和S偏振光下的透过率反射率，需要考虑样品放置的偏振方向问题。因为在未标示出样品偏振方向的情况下，P偏振光或S偏振光照射样品，不能刚好做到测试光方向与样品的偏振方向水平或垂直，得到偏振测试的最大值和最小值，也是不能达到消偏比测试要求的原因之一。这时需要固定样品位置，自动旋转起偏驱动器，找到偏振测试最大值和最小值所对应的角度，即样品的偏振方向角，再完成样品的P偏振光和S偏振光下的透过率反射率测试。

图7 自动旋转角度起偏驱动器

由于光学起偏材料、结构设计的限制，普通用于分光光度计的起偏材料，一般有效工作波长范围220-2600nm。用于200nm以下波长测试的偏振材料，需要特殊设计和加工。以下是一种新型可用于200nm以下深紫外区的起偏晶体，193nm处消偏比大于10000:1，与分光光度计配套使用，有效工作波长范围190-2600nm。

图8 起偏晶体P偏振光和S偏振光下的透过率曲线

配合TAMS绝反变角度透射反射附件，可以方便快捷的测试样品不同角度下透射反射数据，自动测试样品不同角度下P光和S光下透射率曲线，一次设置即可完成所有角度在不同偏振态下透射率曲线测试，测试曲线如下图所示。

图9 样品不同角度和偏振态下透射率测试数据

图10 石英样品45度下偏振P光和S光反射数据

珀金埃尔默Lambda1050+光谱仪

TAMS绝反变角度透射反射附件光路图

 图11  Lambda1050+光谱仪+自动消偏起偏整合偏振系统+TAMS可变角度测试附件

本文总结

综上，由Lambda1050+光谱仪、自动消偏起偏整合偏振系统、TAMS可变角度测试附件等几部分，主要组成的深紫外自动变角度透射反射偏振光谱测试解决方案，具有以下特点：

1) 偏振测试有效工作波长范围：190-2600nm；

2) 消偏装置：自动消偏器，出射光任意方向的偏振分量保持恒定大小，大角度总透射或总反射只需测试一次；测试样品大角度透射反射数据，可自由选择两种数据修正测试方式；

3) 起偏装置193nm处消偏比：大于10000:1；

4) 起偏装置可自动以0.25度步进连续旋转，标示出样品的偏振方向；

5) 自动变角度透射反射测试，软件控制透射反射角度自动测试，透射0°-80°连续可调，反射7.5°- 80°连续可调，角度分辨率0.01°