光谱椭偏仪广泛应用于半导体加工，例如集成电路、平板显示面板和太阳能电池的制造。然而，如图1a所示，传统的光谱椭偏仪通常通过补偿器或分析器的机械旋转来调制偏振态。对于光谱检测，它要么需要波长扫描，要么使用多通道光谱仪。由此产生的系统通常体积庞大、复杂，并且需要多次测量。

在《光：科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中，由中国清华大学杨元木教授及其同事领导的科学家团队提出并实验演示了一种基于紧凑超表面阵列的单次光谱椭偏测量系统，如图1b所示。

所提出的系统利用硅基超表面阵列对从薄膜反射的光的完整斯托克斯偏振光谱进行编码。随后，根据CMOS传感器收集的强度信号，使用凸优化算法对偏振和光谱信息进行解码。

它可以重建薄膜的完整斯托克斯偏振光谱，从而进一步确定薄膜厚度和折射率。这种方法显着简化了传统的光谱椭圆偏振系统，并实现了单次薄膜参数测量。

基于超表面阵列的光谱椭圆偏振仪的示意图如图2a所示。椭圆偏振仪的光谱偏振检测部分由集成到商用CMOS传感器上的超表面阵列组成，从而形成一个极其紧凑的系统。超表面阵列由20×20个优化元件组成，旨在支持各向异性和光谱多样化响应，确保准确重建完整的斯托克斯偏振光谱。

本工作选取硅衬底上沉积的五片厚度为100nm至1000nm的SiO2薄膜作为测试样品。测试薄膜的拟合厚度和折射率色散与商用光谱椭偏仪获得的地面真实值非常匹配，厚度和折射率测量的误差分别仅为2.16%和0.84%。

研究小组提出并实验演示了一种用于单次集成光谱椭偏系统的超表面阵列。该系统可以通过单次测量准确确定薄膜厚度和折射率，无需任何机械移动部件或动态相位调制元件。

超表面阵列还有望用于光谱偏振成像，这可以进一步实现空间不均匀薄膜的无损表征。

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