王海姣，王党社，乔若飞

（西安工业大学 理学院，陕西 西安 710032）

引 言

火棉胶在医学及工业中有广泛的用途，是制造清漆、胶片、人工珍珠、人造革的原料，在医学领域被用于封堵创伤及灼烧的伤口，在组织学中常被用作组织的包埋及切片剂［1］。根据火棉胶的致密性，常被用做样品薄膜的底膜，通过电子衍射分析物质内部结构。由于电子波波长在0.01～0.1nm数量级，因此要求样品物质必须很薄，一般在10nm左右。样品薄膜的厚度对于晶体衍射花样有很大影响，因此精确控制薄膜厚度成为通过电子衍射方法分析材料结构的关键因素［1］，薄膜厚度的精确测量也就显得十分重要。现有薄膜厚度和折射率的测量方法很多，如分光计最小偏向角法［2］、阿贝折射仪临界角法［3］、干涉法［4］、棱镜耦合法［5］、椭偏法［6，7］等。这些方法中有些对被测物有较严格的形状要求，有些测量精度低，有些测量精度虽高但价格昂贵，而且它们很少能同时测量折射率和厚度两个参数；而椭偏法适合于透明的或弱吸收的各向同性的厚度小于一个周期的薄膜，也可用于多层膜的折射率、消光系数、表面孔隙率、晶体的偏振、双折射的测量等，在各种已有的测定薄膜厚度的方法中，椭偏法具有测量薄膜最薄和测量精度高的特点。利用椭偏法测量薄膜光学常数，要根据薄膜结构建立模型，通过LM算法拟合而得到薄膜的光学常数，拟合时必须知道火棉胶的折射率和厚度。到目前为止现有文献只是给出了火棉胶溶液在某一波长的折射率，而对于火棉胶成膜后其厚度及折射率光谱尚未见研究。文中通过椭偏法测量不同浓度的火棉胶溶液形成的火棉胶薄膜折射率和厚度。

1 原 理

椭偏法是当椭圆偏振光入射到样片表面时，反射光的偏振状态会发生改变。通过测量入射平面内偏振光振幅和垂直于入射平面偏振的反射光振幅比值，以及两个偏振分量的差值，来确定样品或薄膜光学常数的仪器。

图1 椭偏仪测试系统基本光路原理图Fig.1 Elliptical polarization measurement schematic

图1是椭偏仪测试系统基本光路原理图，激光光源发出的光，经过仪器的起偏器变成线偏振光，在通过补偿器（1／4波片）形成椭圆偏振光，然后投射到待测薄膜上，从待测薄膜反射出的光，偏振态已经发生了变化，偏振态的变化与薄膜结构相关，即不同的薄膜结构，其偏振态的变化不同，在通过检偏器和接收器就进行检测了。

椭偏仪可以通过测量两个椭偏角（ψ，Δ）分别获得振幅和相位的相对变化（ψ，Δ）是由P分量和S分量的反射系数rp、rs决定的，

式（2）中，n0、φ0己知，通过测出起偏器和检偏器的方位角，得ψ和Δ，由计算机求解其超越方程可得出薄膜的折射率n和几何厚度d。

2 实验测量

2.1 火棉胶制备

实验采用BK7（玻璃）为基底，实验前用甲苯、丙酮、酒精、超声波依次对基底进行清洗。现分别取0.04mL、0.08mL、0.12mL浓度为1%（体积比）火棉胶醋酸戊脂溶液，滴到盛有相同质量蒸馏水的三个蒸发皿中（直径为150mm），火棉胶醋酸戊脂溶液将在水面上迅速挥发，5min后在水面上形成整张的、平展的火棉胶膜，慢慢捞起火棉胶膜，将BK7基底从火棉胶膜的边缘斜插入水中，然后将玻璃片放置在阳光烘干。

2.2 测量仪器

现使用美国J.A.WOOLLAM生产的变角度椭圆偏振仪测量火棉胶薄膜（基底材料为BK7玻璃，折射率为1.516 80），入射角为75°。

2.3 结果与讨论

2.3.1 模型建立

根据实际情况建立模型为Srough／Cauchy／BK7均方误差（meansquared error，MSE）用来表示实验和预测数据之间相差的量，MSE值越小，实验和模型数据匹配越好（通常认为MSE小于5拟合效果理想）。

2.3.2 测量结果

图2为火棉胶薄膜拟合曲线。

从图2可以看出，实验曲线在300～600nm区间震荡较大，主要是由于仪器光源在紫外波段信号较弱，导致信噪比较差，而红外波段的信号强度较大，信噪比较好，所以曲线震荡较小。图2（a）、2（b）实验曲线基本相同，但图2（b）震荡比2（a）稍大，原因是火棉胶薄膜粗糙度较大引起的信噪比较差，图2（c）中ψ曲线较低且变化较大是由于较多火棉胶溶液在形成薄膜时，受表面张力的影响而导致薄膜表面粗糙度加强，从而引起光散射加强，使得反射后的P光和S光的幅度减小而造成的。图2拟合曲线与实测曲线基本吻合，拟合误差MSE值如表1所示，薄膜厚度如图3所示，折射率如图4所示。

图2 火棉胶薄膜拟合曲线Fig.2 The collodion film fitting curve

表1 MSE值对比结果Tab.1 Comparison of the results of MSE value

从表1可知，拟合结果的MSE值都小于5，认为拟合效果比较理想。

从图3中可以看出，在相同测试条件下，随着火棉胶醋酸戊脂溶液体积的增大，火棉胶薄膜厚度也越厚，0.04mL、0.08mL、0.12mL火棉胶醋酸戊脂溶液形成的火棉胶薄膜厚度分别是44.545nm、77.960nm、129.891nm。

图3 火棉胶厚度对比图Fig.3 Collodion thickness comparison chart

从图4可看出随着波长的增大折射率减小，三种薄膜对应柯西模型A、B、C系数分别为：1.484 3、0.007 398 8、－0.000 268 73；1.483 7、0.007 633 6、－0.000 319 06；1.474、0.015 465、－0.001 743。随着火棉胶醋酸戊脂溶液的增多，即薄膜越厚，其折射率越低，主要是由于此时薄膜的相对介电常数较低所致。

图4 火棉胶折射率曲线Fig.4 Collodion refractive index curve

3 结 论

文中利用椭偏原理，采用光谱反射型椭偏仪测量不同体积火棉胶醋酸戊脂溶液捞制的火棉胶薄膜的厚度和折射率，拟合所建模型为Srough／Cauchy／BK7。结果表明：制备火棉胶时使用的火棉胶醋酸戊脂溶液体积越大，薄膜厚度越厚，折射率越低。体积为0.04mL、0.08mL、0.12mL火棉胶醋酸戊脂溶液所制备的火棉胶薄膜厚度分别是47.545nm、77.960nm、129.891nm，柯西模型A、B、C系数分别为：1.484 3、0.007 398 8、－0.000 268 73；1.483 7、0.007 633 6、－0.000 319 06；1.474、0.015 465、－0.001 743，所以该模型能够较好地表征火棉胶薄膜结构。

［1］ 石 瑾，傅群武.介绍一种新型铸型填充剂－火棉胶［J］.中国临床解剖学杂志，2001，19（2）：187－190.

［2］ 母国光.光学［M］.北京：高等教育出版社，1978：37－38.

［3］ 王之江.光学技术手册［M］.北京：机械工业出版社，1994：235－237.

［4］ 邓元龙，姚建铨，阮双琛.透射式外差椭偏测量及非线性误差分析［J］.测试技术学报，2005，19（3）：225－228.

［5］ SHIONODERN H，AWEI J，IEMILKENOUE.块体材料的折射率测量：棱镜耦合法［J］.光学技术，1992，18（6）：12－15.

［6］ 陈燕平，余飞鸿.薄膜厚度和光学常数的主要测试方法［J］.光学仪器，2006，28（6）：84－88.

［7］ 傅晓东.椭圆偏光法测量薄膜折射率和厚度的研究［J］.广东教育学院学报，1997（2）：20－27.