椭圆偏振技术是一种非破坏性的表面表征光学技术。它通过以倾斜入射角 (AOI) 照射偏振电磁辐射（“光”）来探测样品。所施加的光子能量通常在电磁波谱的紫外线到红外线部分的范围内。椭圆偏振技术可检测并量化探测光束偏振椭圆的任何变化（因此称为“椭圆偏振技术”），这种变化可能在样品表面反射时发生（图 1）。

椭圆偏振测量对样品表面的任何变化都高度敏感。 特别是，椭圆光度法擅长表征平坦、反射样品表面上的透明或半透明薄膜涂层。厚度低于 1 nm 的薄膜层（即单原子层或单分子层）也可以作为厚度为几微米的层或层堆叠进行测量。

为了达到高标准的准确度和精密度，椭圆偏振测量法发挥了什么技巧？它归结为两个关键要素：

1. 干涉透明或半透明薄膜层内多次反射引起的现象导致反射电磁波的幅度和相位对薄膜层厚度及其折射率的依赖性非常强（图2）。
2. 探测样品偏振光和在倾斜兴趣区可以获取不同入射偏振状态的（相对）相位变化。该信息在垂直入射或缺乏偏振控制时会丢失（图 3）。

虽然反射测量等其他光学计量技术仅使用反射光束的强度（即反射波的振幅）来进行薄膜表征，但椭圆光度测量还可以获取样品引起的探测波的（相对）相移。这种额外的相灵敏度最终为薄膜层表征带来了出色的精度和灵敏度。

椭圆测量将样品的偏振特性转化为每个探测光子能量的两个实数，即我们说的椭圆测量参数 Δ（“Delta”，相位信息）和 Ψ（“Psi”，幅度信息）。

为了理解这些量的详细含义，我们需要引入样品表面偏振电磁（EM）波镜面反射的数学描述。一般来说，入射电磁波的振幅和相位会因反射而改变。然而，在倾斜 AOI 中，p 偏振波和 s 偏振波的这些变化量是不同的（图 3），因此我们可以写为：

E'_p 和 E'_s是复数（i 虚数单位），分别表示样品表面反射之前和之后p偏振和s偏振电磁波的电场幅度和相位；r_p,s 和 δ_p,s  分别是样品引起的幅度和相位变化。

最后，我们可以给出椭偏参数的数学定义 Δ 和 Ψ :

因此，Δ 是 p 偏振和 s 偏振电磁波的样品引起的相位差，而 Ψ 量化样品引起的这些波的振幅变化的比率。