理论
光学概念
折射率、偏振、入射角、双折射与椭偏量
本章定义最常用的光学量，并给出它们与界面字段、结果页的对应关系。
本章范围
| 概念 | 本章解释的重点 |
|---|---|
| 复折射率 | n 与 k 的作用，以及对应输入字段 |
| 偏振与角度 | s / p 与 pRatio 对反射和透射的影响 |
| 双折射 | nExt / kExt 代表什么，何时可用 |
| 椭偏量 | Psi / Delta 的定义与适用条件 |
复折射率与软件输入模型
软件中最基础的材料量是复折射率：
N = n + i k
其中：
n决定相位传播速度与折射行为；k决定吸收强度，通常要求k >= 0。
软件当前支持的三类输入方式如下。
| 输入方式 | 对应字段 | 适用情况 | 关键限制 |
|---|---|---|---|
Constant | n, k | 单一波长区间内近似常量的材料 | 只描述各向同性材料 |
Constant Birefringence | n, k, nExt, kExt | 需要区分普通轴与非常轴的简化双折射模型 | 非相干层不可用 |
File | 波长采样文件 | 折射率随波长变化，或需要导入测量/数据库数据 | 若文件为双折射，非相干层不可用 |
工程上优先按下列三条理解：
- 提高
n会改变光学程与界面反差，因此会同时影响峰位和峰高。 - 提高
k会增加吸收，常见表现是A增大、透射降低。 - 若材料色散明显，优先使用
File，否则干涉峰位置与颜色结果可能偏离实际。
偏振、pRatio 与入射角
斜入射时，电场方向必须相对于入射面来区分。
| 量 | 定义 | 对应字段 | 工程含义 |
|---|---|---|---|
s 偏振 | 电场垂直于入射面 | pRatio = 0 | 常与 p 表现出不同反射率 |
p 偏振 | 电场平行于入射面 | pRatio = 1 | 在某些角度下反射会显著降低 |
| 混合偏振 | s 与 p 的线性组合 | 0 < pRatio < 1 | 用于模拟部分偏振或未分偏振光 |
| 非偏振近似 | s 与 p 等权平均 | pRatio = 0.5 | 适合作为默认快速评估条件 |
Incident Angle 输入的是外部入射角。它会同时改变：
- 各层中的传播角；
- 每个界面的菲涅耳系数；
- 层内等效光学程。
因此，入射角变化通常会同时影响谱线位置、峰谷对比度以及 Psi / Delta 的形状。对多数入门示例，先从 0° 或中等斜入射（如 60° ~ 70°）开始更容易判断结果。
用斯涅尔定律理解层间折射
判断层间折射与角度变化时，使用下式：
n_i sin(theta_i) = n_j sin(theta_j)
界面字段对应如下：
| 现象 | 物理原因 | 文档阅读中的用途 |
|---|---|---|
| 角度变大时，干涉峰位置移动 | 斜入射改变了层内等效光学程 | 解释入射角扫描中的谱线平移 |
| 高折射率层中的传播角更小 | 光线在高 n 介质中更趋向法线方向 | 判断多层堆栈中的相位厚度变化 |
s 与 p 曲线分离 | 菲涅耳系数对两种偏振的角度响应不同 | 解释偏振相关结果与椭偏结果 |
本软件不会要求你手动输入层内角度；你只需要正确理解：Incident Angle 改变后，整个膜系的传播条件会一起改变，而不是只改“第一层的界面反射”。
双折射与扩展参数
双折射材料的核心特征是不同主轴方向具有不同的复折射率。
| 参数 | 含义 | 常见用途 |
|---|---|---|
n, k | 普通轴（ordinary）对应的实部与虚部 | 作为基准折射率 |
nExt, kExt | 非常轴（extraordinary）对应的实部与虚部 | 描述主轴方向差异 |
在本软件中，双折射有两个实现路径：
Constant Birefringence：直接输入一组常数参数；File：导入包含普通轴与非常轴数据的双折射文件。
边界如下：
- 环境介质不提供双折射参数；
- 非相干层不能使用双折射常数模式；
- 非相干层也不能使用双折射折射率文件。
因此，双折射主要面向相干薄膜建模，而不是厚基底或非相干层的近似处理。
Psi 与 Delta 的物理定义
椭偏结果由反射系数比值得到：
tan(Psi) = |r_p / r_s|Delta = arg(r_p) - arg(r_s)
可按下表理解：
| 量 | 本质 | 对参数变化的敏感性 |
|---|---|---|
Psi | p / s 反射振幅比 | 对折射率反差、厚度、角度都敏感 |
Delta | p / s 反射相位差 | 对干涉条件和相位变化尤其敏感 |
在工程上，Psi / Delta 常用于膜厚与折射率反演；在本软件中，它们也遵守同样的物理前提：膜系必须保持相干。只要已启用层中存在非相干层，Psi / Delta 会被直接禁用。
概念与界面字段的对应关系
| 物理量 | 主要字段或结果页 | 读图时优先关注什么 |
|---|---|---|
| 复折射率 | Structure 页中的 indexType、n、k、文件数据 | 峰位、峰高、吸收强度 |
| 偏振混合 | Optics 页中的 pRatio | s / p 混合后曲线是否平滑过渡 |
| 入射角 | Optics 页中的 Incident Angle | 谱线平移、椭偏曲线变化 |
| 双折射 | Structure 页中的 nExt / kExt 或双折射文件 | 偏振相关结果是否分离加剧 |
Psi / Delta | Ellipsometry 结果页 | 曲线形状对厚度、折射率微调是否敏感 |
学习顺序
若你刚开始接触薄膜计算，建议按以下顺序建立直觉：
- 先把
n、k、Incident Angle、pRatio四个量与R / T / A的变化对应起来。 - 再引入双折射，理解不同主轴参数放大偏振差异的原因。
- 最后再阅读
Psi / Delta，把它视为对r_p / r_s的更敏感表征，而不是与反射率无关的“额外曲线”。