Phép đo elip quang phổ được áp dụng rộng rãi trong bán dẫn xử lý, chẳng hạn như trong sản xuất mạch tích hợp, tấm màn hình phẳng và pin mặt trời. Tuy nhiên, máy đo elip quang phổ thông thường, như trong Hình 1a, thường điều chỉnh trạng thái phân cực thông qua chuyển động quay cơ học của bộ bù hoặc máy phân tích. Để phát hiện quang phổ, nó yêu cầu quét bước sóng hoặc sử dụng máy quang phổ đa kênh. Hệ thống thu được thường cồng kềnh, phức tạp và yêu cầu nhiều phép đo.
Trong một bài báo mới được xuất bản trong Ánh sáng: Khoa học & Ứng dụng, một nhóm các nhà khoa học, dẫn đầu bởi Giáo sư Yuanmu Yang từ Đại học Thanh Hoa, Trung Quốc và các đồng nghiệp đã đề xuất và trình diễn thử nghiệm một hệ thống dựa trên mảng metasurface nhỏ gọn để đo phép đo elip quang phổ một lần bắn, như trong Hình 1b.
Hệ thống được đề xuất sử dụng mảng metasurface dựa trên silicon để mã hóa toàn bộ phổ phân cực Stokes của ánh sáng phản xạ từ màng mỏng. Sau đó, thông tin phân cực và quang phổ được giải mã dựa trên tín hiệu cường độ được thu thập bởi cảm biến CMOS bằng thuật toán tối ưu hóa lồi.
Nó có thể tái tạo lại phổ phân cực Stokes đầy đủ của màng mỏng, sau đó cho phép xác định độ dày màng và chiết suất. Cách tiếp cận này đơn giản hóa đáng kể các hệ thống đo elip quang phổ thông thường và cho phép đo thông số màng mỏng một lần chụp.
Sơ đồ của máy đo elip quang phổ dựa trên mảng metasurface được thể hiện trong Hình 2a. Phần phát hiện đo quang phổ của máy đo elip bao gồm một mảng siêu bề mặt được tích hợp vào cảm biến CMOS thương mại, tạo nên một hệ thống cực kỳ nhỏ gọn. Mảng metasurface bao gồm các phần tử được tối ưu hóa 20 × 20 được thiết kế để hỗ trợ phản ứng dị hướng và đa dạng về quang phổ, đảm bảo tái tạo chính xác toàn bộ phổ phân cực Stokes.
Trong công trình này, năm SiO2 các màng mỏng có độ dày từ 100 nm đến 1000 nm lắng đọng trên đế silicon được chọn làm mẫu để thử nghiệm. Độ dày phù hợp và độ phân tán chiết suất của các màng mỏng được thử nghiệm rất khớp với thực tế cơ bản thu được từ máy đo elip quang phổ thương mại, với sai số lần lượt chỉ là 2.16% và 0.84% đối với phép đo độ dày và chiết suất.
Nhóm nghiên cứu đã đề xuất và chứng minh bằng thực nghiệm một mảng siêu bề mặt cho hệ thống đo elip quang phổ tích hợp một lần chụp. Hệ thống này cho phép xác định chính xác độ dày màng mỏng và chỉ số khúc xạ thông qua một phép đo duy nhất mà không cần bất kỳ bộ phận chuyển động cơ học hoặc phần tử điều chế pha động nào.
Mảng metasurface cũng hứa hẹn cho hình ảnh đo quang phổ, điều này có thể cho phép hơn nữa mô tả đặc tính không phá hủy của các màng mỏng không đồng nhất về mặt không gian.