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第一章 光波的偏振1

1.1 偏振的概念1

1.2 多色光和单色光1

1.3 具有任意空间结构的单色光的偏振1

1.3.1 椭圆偏振4

1.3.2 线偏振和圆偏振5

1.4 谐变场的相位复矢量（相量）表示法6

1.5 均匀TE平面波7

1.6 均匀TE平面波的琼斯矢量8

1.6.1 波的强度10

1.6.2 一些偏振态的琼斯矢量10

1.6.3 正交琼斯矢量和正交归一琼斯矢量组12

1.6.4 坐标旋转引起的琼斯矢量变换12

1.6.5 琼斯基矢量和偏振基态13

1.6.5.1 笛卡儿基矢量13

1.6.5.2 圆基矢量14

1.6.5.3 任意的基矢量16

1.6.6 给定椭圆偏振态的笛卡儿琼斯矢量和圆琼斯矢量17

1.7 光偏振态的复数表示18

1.7.1 偏振光的笛卡儿复平面表示18

1.7.1.1 正交偏振态20

1.7.1.2 等方位角线和等椭率线21

1.7.2 偏振光的圆复平面表示27

1.7.3 偏振光的广义复平面表示29

1.8 偏振光的庞加莱球表示31

1.9 准单色波的偏振态34

1.9.1 准单色波的琼斯矢量35

1.9.2 斯托克斯参数和斯托克斯矢量37

1.9.3 相干矩阵表示40

第二章 偏振光在偏振光学系统内的传播44

2.1 偏振光学系统44

2.2 琼斯矩阵表示法44

2.2.1 琼斯矩阵元Tij的物理意义46

2.2.2 级联光学系统47

2.2.3 一些基本光学元件的琼斯矩阵48

2.2.3.1 透射型元件48

2.2.3.2 反射型元件51

2.2.4 在坐标旋转作用下笛卡儿琼斯矩阵的变换52

2.2.5 圆琼斯矩阵及广义琼斯矩阵53

2.3 琼斯矩阵表示中偏振椭圆的各种信息的可分性——偏振传递函数55

2.4 复平面表示中光学系统产生的偏振椭圆变换56

2.5 庞加莱球表示中光学系统产生的偏振椭圆变换60

2.6 琼斯矩阵表示中振幅和相位信息的可分性——振幅传递函数和相位传递函数62

2.6.1 本征值问题——光学元件的一般分类法64

2.6.1.1 椭圆延迟器65

2.6.1.2 部分椭圆起偏器66

2.6.1.3 理想椭圆起偏器67

2.6.1.4 其他偏振元件67

2.7 与偏振相关的光学系统透射强度68

2.7.1 具有等衰减或等放大的偏振态的轨迹68

2.7.2 强度透射率的简化表示71

2.7.3 Malus 定律的推广72

2.7.4 一些特殊的光学系统73

2.8 复平面表示中把任意偏振态分解成两个互为正交的偏振态的方法74

2.8.1 复平面表示中两个偏振态的密切度75

2.8.2 庞加莱球表示中把任意偏振态分解成两个互为正交的偏振态的方法76

2.9 光学系统所造成的、与偏振相关的相移77

2.10 各向异性媒质中偏振光的传播78

2.10.1 偏振椭圆的变化80

2.10.1.1 在各向异性均匀媒质中的传播81

2.10.1.2 在各向异性非均匀媒质中的传播85

2.10.2 复振幅的变化89

2.11 部分偏振准单色光在非消偏振光学系统中的传播——相干矩阵表示法92

2.11.1 部分偏振入射光在非消偏振线性光学系统传播时的强度透射率94

2.12 部分偏振准单色光在非消偏振光学系统中的传播——米勒矩阵表示法96

第三章 椭偏仪装置的测量理论和分析99

3.1 引言99

3.2 光学系统的琼斯矩阵的椭偏测量——广义椭偏测量术基础101

3.3 具有已知本征偏振的光学系统的椭偏测量术101

3.4 具有正交线性本征偏振态的光学系统的本征值比的椭偏测量原理102

3.4.1 消光椭偏测量术107

3.4.2 补偿器方位角固定条件下的消光方案，其中C＝± 1/4 π，δC＝- 1/2 π，TC＝1107

3.4.3 补偿器置于光学系统后的另一种椭偏仪布局110

3.4.4 反射与透射椭偏测量术中的本征值之比ρs112

3.4.5 PCSA布局的椭偏仪和PSCA布局的椭偏仪的统一处理方法——双线性偏振传递函数的应用实例113

3.5 具有正交圆本征偏振态的光学系统的本征值比的椭偏测量原理117

3.6 具有椭圆本征偏振态的光学系统的本征值比的椭偏测量原理120

3.7 方位角误差和元件缺陷对ρ5椭偏测量的影响122

3.7.1 非理想光学元件的缺陷板124

3.7.2 两光学元件的位置互换125

3.7.3 PCWSW′A布局的椭偏仪126

3.7.3.1 方位角误差127

3.7.3.2 元件缺陷127

3.7.3.3 椭偏测量角ψ与Δ的误差132

3.7.3.4 两区域平均法135

3.7.3.5 四区域平均法138

3.7.3.6 补偿器方位角和位置的选择139

3.8 元件有缺陷（包括非相干效应）的椭偏测量术141

3.8.1 在PCWSW′A布局的椭偏仪上的应用143

3.8.1.1 起偏器与检偏器的缺陷144

3.8.1.2 补偿器缺陷148

3.8.1.3 入射窗口、光学系统以及出射窗口的缺陷148

3.8.2 区域平均法149

3.8.3 元件的消偏振151

3.8.4 讨论152

3.9 广义椭偏测量术154

3.9.1 作为可控偏振滤光器的起偏器-补偿器组合体155

3.9.2 消光方案与补偿条件158

3.9.2.1 检偏器固定的消光方案158

3.9.2.2 补偿器固定的消光方案158

3.9.2.3 起偏器固定的消光方案160

3.9.3 多消光点测量法162

3.9.4 PSCA布局的椭偏仪163

3.10 其他布局的椭偏仪163

3.10.1 不使用补偿器的消光椭偏仪163

3.10.1.1 只探测偏振椭圆的方位角而根本不测量椭率的椭偏仪163

3.10.1.2 自补偿椭偏仪，其依据是反射相位差Δ具有入射角的可调谐性166

3.10.2 光度椭偏仪168

3.10.2.1 静态光度椭偏仪169

3.10.2.2 动态光度椭偏仪170

3.10.3 干涉椭偏仪（IE）174

3.11 调制椭偏测量术176

3.11.1 PSA布局176

3.11.2 PCSA布局177

第四章 分层平面结构上偏振光的反射和透射179

4.1 引言179

4.2 两种各向同性媒质间平面界面处光的反射和折射179

4.3 环境媒质-薄膜-基片系统的反射和透射186

4.4 环境媒质-薄膜-基片系统的反射椭偏测量术和透射椭偏测量术的方程190

4.4.1 反射椭偏测量术190

4.4.1.1 入射角恒定的椭偏测量函数ρ（φ，d）的轮廓线（CAIC）190

4.4.1.2 椭偏测量函数ρ（φ，d）的等厚度曲线（CTC）194

4.4.1.3 笛卡儿曲线198

4.4.2 透射椭偏测量术198

4.4.3 适用于环境媒质-薄膜-基片系统反射椭偏测量和透射椭偏测量的方程的线性近似200

4.4.3.1 反射200

4.4.3.2 透射201

4.4.3.3 ψ和Δ的灵敏度因子202

4.4.3.4 线性近似的有效性207

4.5 反射椭偏测量术严格方程的数值解209

4.5.1 可以解析反演求解的几种情况210

4.5.2 数值-反演问题的一般表述和误差函数选择211

4.5.3 多入射角（MAI）椭偏测量术213

4.5.3.1 MAI系统与方程的不相干性（或相互依赖关系）：参数相关性试验213

4.5.3.2 Hessian矩阵和收敛速率215

4.5.3.3 空气-SiO2-硅系统实例217

4.6 各向同性分层平面结构的反射和透射220

4.7 各向异性分层平面结构的反射和透射226

4.7.1 位于半无限大各向同性环境媒质和基片间、有限的各向异性膜层引起的反射和透射231

4.7.2 位于各向同性环境媒质中、半无限大各向异性基片引起的反射和透射234

4.7.3 在简单特殊情况下反射率矩阵的显含表达式235

4.7.3.1 各向同性环境媒质和各向异性单轴基片235

4.7.3.2 各向同性环境媒质和各向异性双轴基片236

4.7.3.3 在各向同性环境媒质中各向同性基片上的各向异性单轴薄膜237

4.7.3.4 在各向同性环境媒质中各向同性基片上的各向异性双轴薄膜238

4.7.3.5 在各向同性环境媒质中单轴基片上的单轴薄膜238

4.8 复有不连续薄膜的表面以及界面粗糙的表面这两者的椭偏测量术239

第五章 椭偏测量术的仪器和操作技术243

5.1 引言243

5.2 基本仪器——消光椭偏仪243

5.2.1 光学元件244

5.2.1.1 线性起偏器244

5.2.1.2 延迟器247

5.2.1.3 其他偏振光学元件248

5.2.2 椭偏仪中无偏振效应的光学元件249

5.2.3 光源和光检测器250

5.3 消光椭偏仪的操作251

5.3.1 镜筒的调准直251

5.3.2 椭偏仪刻度盘的校准253

5.3.3 消光方案256

5.4 误差源及其误差修正259

5.4.1 方位角误差、光学元件和样品盒窗口的缺陷259

5.4.2 椭偏仪缺陷参数的测定260

5.4.3 光束偏离误差261

5.4.4 多次反射的自准直杂散光束的影响264

5.4.5 有关椭偏仪光束的某些假设所引起的误差265

5.4.5.1 带宽的影响265

5.4.5.2 光源偏振和元件的消偏振的影响265

5.4.5.3 准直和偏振分布非均匀的影响266

5.4.6 与偏振有关的光检测器灵敏度267

5.4.7 残余的机械缺陷267

5.4.8 其他误差268

5.4.9 模型误差268

5.5 消光椭偏仪的精度268

5.6 消光椭偏仪的自动化270

5.6.1 马达驱动的自动消光椭偏仪270

5.6.2 电光效应的自消光椭偏仪272

5.7 自动光度椭偏仪274

5.7.1 旋转检偏器椭偏仪274

5.7.2 偏振调制椭偏仪276

第六章 椭偏测量术的应用279

6.1 引言279

6.2 材料的光学性质和光谱椭偏测量术279

6.2.1 体型材料的光学性质279

6.2.2 薄膜态材料的光学性质286

6.3 物理吸附和化学吸附290

6.4 半导体表面及金属表面的氧化296

6.5 电化学303

6.6 椭偏术在生物学和医学中的应用308

6.6.1 血和外表面的相互作用——血凝309

6.6.2 薄膜中抗原-抗体的免疫反应311

6.6.3 电吸附免疫试验313

6.6.4 细胞表面（膜）的材料测定313

6.7 椭偏术在其他方面的应用316

附录326

参考文献331

内容索引（汉英对照）338