椭圆偏振测量仪是目前zui重要的薄膜测试工具之一。其中，干涉式椭偏测量仪具有测量速度快、抗干扰能力强等优点，是目前国内外研究热点之一。本文提出了一种新型激光外差干涉椭偏测量术用于实现纳米级精度的薄膜厚度测量。
非偏振分光镜对椭偏仪的影响（一）-系统原理
Hazebroek等人于1973年首次提出了干涉式椭偏测量的概念，针对其中存在的问题，有人提出了使用塞曼激光和声光调制器的系统设计，还有人提出采用电光调制和波长调制半导体激光器的方案。Watkins采用压电晶体振荡的方法产生拍频，实验测量了SiO2膜，zui佳测量不确定度可达360pm。以上理论研究和实验表明，干涉式椭偏测量技术对于实时、快速薄膜测量有很好的应用价值与市场潜力，但外差干涉测量中存在的非线性误差是阻碍该技术实际应用的主要原因。外差干涉测量系统中的非线性误差一直是国内外研究热点，研究人员对激光源、偏振分光镜、波片、反射镜等误差源开展了很多研究工作，并取得了许多有意义的研究成果，提出了多种非线性误差测量与补偿的方法。在激光干涉测量非线性误差研究中，偏振分光镜(Polarizing beam splitter，PBS)一直是研究的重点，而对于非偏振分光镜(Nonpolarizing Beam Splitter，NPBS)引入的非线性误差，国内外一直缺乏相应的研究。Hou等人在迈克尔逊式外差干涉位移测量实验中，观测到NPBS引入的测量误差，并发现采用不同激光源，位移非线性误差约为1.6～2.2nm，但是各种论文没有给出相应的理论分析以及NPBS对误差的影响机理。
本文针对基于横向塞曼激光器的马赫-曾德尔外差干涉椭偏测量系统，采用琼斯矢量法，首次研究了多层介质膜NPBS的退偏效应、方位角对测量精度的影响。
系统原理
马赫-曾德尔干涉式椭偏仪原理如图1所示。其中，HWP为半波片，M为反射镜，Ds和Dp为探测器。横向塞曼激光器输出双频正交线偏振光，频差△W=W2-W1。经过PBS1分成测量光束W1和参考光束W2，测量光束被薄膜两次反射后，在NPBS2与参考光束合光干涉，由PBS2分成p，s两路外差干涉信号。比较探测器输出的拍频信号幅值和相位差可得到椭偏参数。其中，半波片使得光束偏振方向旋转45°，这样p，s分量近似等强入射到薄膜样品，可提高干涉调制度。
图1光学系统原理图
横向塞曼激光器的输出可以表示为：
其中：a1和a2代表初始相位。系统的琼斯响应可以表示为：
其中，下标R和T分别代表反射和透射，P，H，B，M和S分别表示PBS、半波片、NPBS、反射镜和薄膜样品的琼斯矩阵，如式(3)所示。
将式(1)，(3)和(4)带入式(2)可得：
忽略不影响结果的常数项，可得两路外差信号的光强如下式所示：
比较式(6)中两路信号的幅值和相位，可得椭偏参数对(
，△)，如式(7)所示，从而反演出薄膜厚度和折射率。
测试样品为单层ITO膜，采用原子力显微镜标定，厚度为120.1nm，实验存在5nm的膜厚测量误差。其中，PBS的非理想和激光源输出偏振态畸变会引入混频非线性误差，而NPBS也是一个重要的误差源。
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