يتم اعتماد القياس الإهليلجي الطيفي على نطاق واسع في أشباه الموصلات المعالجة، كما هو الحال في تصنيع الدوائر المتكاملة، وألواح العرض المسطحة، والخلايا الشمسية. ومع ذلك، فإن مقياس القطع الناقص الطيفي التقليدي، كما هو موضح في الشكل 1أ، يقوم عادةً بتعديل حالة الاستقطاب عبر الدوران الميكانيكي للمعوض أو المحلل. للكشف الطيفي، يتطلب الأمر إما مسح الطول الموجي أو استخدام مطياف متعدد القنوات. غالبًا ما يكون النظام الناتج ضخمًا ومعقدًا ويتطلب قياسات متعددة.
في ورقة جديدة نشرت في الضوء: العلم والتطبيقات، اقترح فريق من العلماء بقيادة البروفيسور يوانمو يانغ من جامعة تسينغهوا بالصين وزملاؤه وأظهروا تجريبيًا نظامًا مدمجًا قائمًا على صفيف سطح فوقي لقياس القياس الإهليلجي الطيفي بلقطة واحدة، كما هو موضح في الشكل 1 ب.
يستخدم النظام المقترح مصفوفة سطحية قائمة على السيليكون لتشفير طيف استقطاب ستوكس الكامل للضوء المنعكس من الفيلم الرقيق. وبعد ذلك، يتم فك تشفير معلومات الاستقطاب والطيفية بناءً على إشارات الكثافة التي يجمعها مستشعر CMOS باستخدام خوارزميات التحسين المحدبة.
يمكنه إعادة بناء طيف استقطاب ستوكس الكامل للفيلم الرقيق، والذي يسمح بعد ذلك بتحديد سماكة الفيلم ومعامل الانكسار. يعمل هذا النهج على تبسيط أنظمة القياس الإهليلجي الطيفي التقليدية بشكل كبير ويتيح قياسات معلمات الأغشية الرقيقة ذات اللقطة الواحدة.
يظهر الشكل التخطيطي لمقياس القطع الناقص الطيفي القائم على صفيف السطح العلوي في الشكل 2 أ. يتكون قسم الكشف الطيفي الاستقطابي في مقياس القطع الناقص من مصفوفة سطحية مدمجة في مستشعر CMOS تجاري، مما يؤدي إلى نظام مضغوط للغاية. تتكون مصفوفة السطح العلوي من 20 × 20 عنصرًا محسّنًا مصممًا لدعم الاستجابة متباينة الخواص والمتنوعة طيفيًا، مما يضمن إعادة بناء دقيقة لطيف استقطاب ستوكس الكامل.
في هذا العمل، خمسة SiO2 تم اختيار الأغشية الرقيقة بسماكة تتراوح من 100 نانومتر إلى 1000 نانومتر المودعة على ركيزة من السيليكون كعينات للاختبار. تطابقت السماكة المجهزة وتشتت معامل الانكسار للأغشية الرقيقة التي تم اختبارها بشكل وثيق مع الحقيقة الأرضية التي تم الحصول عليها من مقياس القطع الناقص الطيفي التجاري، مع وجود أخطاء تبلغ 2.16% و0.84% فقط لقياسات السماكة ومعامل الانكسار، على التوالي.
اقترح فريق البحث وأظهر تجريبيًا مصفوفة سطحية لنظام القياس الإهليلجي الطيفي المتكامل أحادي اللقطة. يتيح هذا النظام تحديدًا دقيقًا لسمك الطبقة الرقيقة ومعامل الانكسار من خلال قياس واحد دون أي أجزاء متحركة ميكانيكية أو عناصر تعديل الطور الديناميكي.
تبشر مجموعة الأسطح الفوقية أيضًا بالوعد بالتصوير الطيفي الاستقطابي، والذي قد يسمح أيضًا بالتوصيف غير المدمر للأغشية الرقيقة غير المتجانسة مكانيًا.