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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＝1 107

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ρs 112

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

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