СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТОВОГО ЛУЧА
METHOD OF MEASURING POLARISATION STATE OF LIGHT BEAM

Изобретение относится к технике, предназначенной для оптико-физических измерений, а именно к эллипсометрии и поляриметрии, и может быть использовано для измерения состояния поляризации светового луча в широком спектральном диапазоне.
0
1
2
3
Измерение состояния поляризации света после взаимодействия с исследуемым объектом лежит в основе таких экспериментальных методик как поляриметрия и эллипсометрия. Желательными качествами поляриметра являются: возможность одновременного измерения всех 4-х параметров Стокса S, S, S, S, возможность работы в широком спектральном диапазоне, высокая скорость измерений, возможность использования детекторов различного типа.
Известен способ измерения состояния поляризации светового луча (см. патент US №7355708, МПК G01J, опубликован 08.04.2008), включающий последовательное пропускание светового луча через вращающийся с угловой частотой ω компенсатор и через поляризатор, измерение интенсивности прошедшего светового луча и генерирование выходного сигнала как функции длины волны и времени, и определение состояния поляризации светового луча, характеризуемой 4 параметрами Стокса, по результатам Фурье-анализа временной зависимости интенсивности прошедшего через поляризатор светового луча.
Основным недостатком известного способа является использование единственного компенсатора и фазовой пластины в качестве него, что приводит к существенному ограничению спектрального диапазона, в котором применим способ.
Известно устройство для измерения состояния поляризации светового луча (см. патент US №6449043, МПК G01J 4/00, опубликован 10.09.2002), включающий оптически последовательно соединенные компенсатор, установленный с возможностью вращения с постоянной угловой скоростью, линейный поляризатор и детектор, выход которого соединен с процессором, и средство для вращения компенсатора. В качестве компенсатора используется фазовая пластина.
Основным недостатком известного устройства является использование единственного компенсатора и фазовой пластины в качестве него, что приводит к существенному ограничению спектрального диапазона работы устройства.
Известен способ измерения состояния поляризации светового луча (см. патент US №6822738, МПК G01N 21/00, опубликован 23.11.2004), включающий последовательное пропускание исходного светового луча через компенсатор и через линейный поляризатор, измерение интенсивности прошедшего через линейный поляризатор светового луча от времени и определение состояния поляризации светового луча, характеризуемого 4 параметрами Стокса, по результатам Фурье-анализа временной зависимости интенсивности прошедшего через линейный поляризатор светового луча. В качестве компенсатора используют две или три последовательно расположенных фазовых пластины, быстрые оси которых составляют друг с другом заданный угол, не равный 0° и 90°. Компенсатор непрерывно вращается с постоянной угловой скоростью, а линейный поляризатор остается неподвижным.
Основным недостатком известного способа является ограниченный спектральный диапазон измерений, а также необходимость проведения дополнительных калибровочных процедур для измерения величин дрейфа с изменением длины волны света, эффективного азимутального угла компенсатора и величины его эффективной оптической активности. Дополнительным недостатком известного способа является резкая зависимость величин вносимого компенсатором сдвига фазы, эффективного азимутального угла и эффективной оптической активности на ультрафиолетовом краю используемого спектрального диапазона.
Известно устройство для измерения состояния поляризации светового луча (см. патент US №6181421, МПК G01J 4/00, опубликован 30.01.2001), включающий оптически последовательно соединенные компенсатор, установленный с возможностью вращения с постоянной угловой скоростью, линейный поляризатор и детектор, выход которого соединен с процессором, и средство для вращения компенсатора. В качестве компенсатора используется фазовая пластина.
Основным недостатком известного устройства является использование единственного компенсатора и фазовой пластины в качестве него, что приводит к существенному ограничению спектрального диапазона работы устройства.
1
2
1
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому способу является способ измерения состояния поляризации светового луча (см. D.Е.Aspnes, P.S.Hauge, - J. Opt. Soc. Am. - Vol.66, N 9, 949, 1976), включающий последовательное пропускание исходного светового луча через вращающийся с угловой частотой ω компенсатор, через первый линейный поляризатор, вращающийся с угловой частотой ω, отличной от ω, и через второй линейный поляризатор, измерение интенсивности прошедшего через второй линейный поляризатор светового луча от времени и определение состояния поляризации светового луча, характеризуемого 4 параметрами Стокса, по результатам Фурье-анализа временной зависимости интенсивности прошедшего через второй линейный поляризатор светового луча.
Недостатком известного способа является существенное ограничение спектрального диапазона в случае использования в качестве компенсатора фазовой пластины и необходимость принятия специальных мер против отклонения луча при использовании в качестве компенсатора призм различного дизайна и других компенсаторов, действие которых основано на внесении сдвига фаз при отражении.
1
2
3
Для способа-прототипа можно показать, что зависимость интенсивности падающего на детектор света от ориентации быстрой оси компенсатора и осей линейных поляризаторов описывается аналитическим выражением, содержащим сумму слагаемых. Сумма содержит одно постоянное слагаемое, независящее от ориентации быстрых осей компенсатора и первого поляризатора. Все остальные слагаемые, помимо косинусов и синусов углов, описывающих ориентации быстрой оси компенсатора и оси линейного поляризатора, содержат произведение одного из параметров Стокса на множитель, зависящий от вносимого компенсатором сдвига фаз δ. В частности, параметры Стокса S и S входят только в виде произведений с множителем (1-cosδ). А параметр Стокса S входит только в виде произведений с множителем sinδ. При использовании в качестве компенсаторов плоскопараллельных пластин из оптически анизотропного материала зависимость δ от энергии квантов света близка к линейной (Р.Аззам, Н.Башара. «Эллипсометрия и поляризованный свет». М.: Мир, 1981 г.). Из-за этого спектральный диапазон, в котором применим способ, ограничен областями, в которых множители (1-cosδ) и sinδ одновременно заметно отличаются от нуля.
Таким образом недостатком известного способа является существенное ограничение спектрального диапазона в случае использования в качестве компенсатора фазовой пластины и необходимость принятия специальных мер против отклонения луча при использовании в качестве компенсатора призм различного дизайна и других компенсаторов, действие которых основано на внесении сдвига фаз при отражении.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому устройству является устройство для измерения состояния поляризации светового луча (см. D.Е.Aspnes, P.S.Hauge, - J.Opt. Soc. Am. - Vol.66, N 9, 949, 1976), включающее оптически последовательно соединенные компенсатор, установленный с возможностью вращения, первый линейный поляризатор, установленный с возможностью вращения соосно с компенсатором, второй линейный поляризатор и детектор прошедшего через второй линейный поляризатор оптического луча, а также процессор, средство вращения компенсатора и средство вращения первого линейного поляризатора, при этом выход детектора соединен со входом процессора, первый выход процессора подключен ко входу средства вращения компенсатора, а второй выход процессора соединен со входом средства вращения первого линейного поляризатора.
Добавление второго вращающегося оптического элемента в оптическую схему увеличивает количество гармоник в периодической временной зависимости интенсивности сигнала на детекторе. Путем выбора соотношения угловых частот вращения компенсатора и первого поляризатора можно добиться различия частот всех гармоник угловой зависимости, и, следовательно, получения дополнительной информации из Фурье-анализа угловой зависимости. В случае с известным устройством добавление второго вращающегося поляризатора позволяет одновременно с состоянием поляризации (4 параметра Стокса) определять вносимый компенсатором сдвиг фаз, т.е. отпадает необходимость в дополнительной калибровочной процедуре.
Недостатком известного устройства является ограничение спектрального диапазона в случае использования в качестве компенсатора одной или нескольких фазовых пластин и необходимость принятия специальных мер против отклонения луча при использовании в качестве компенсатора призм различного дизайна и других компенсаторов, действие которых основано на внесении сдвига фаз при отражении.
Задачей настоящего изобретения является создание такого способа измерения состояния поляризации светового луча, характеризуемого 4 параметрами Стокса, и устройства для его осуществления, которые бы имели расширенный рабочий спектральный диапазон.
Поставленная задача решается группой изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом.
В части способа поставленная задача решается тем, что последовательно пропускают исходный световой луч через первый компенсатор, через второй компенсатор и через линейный поляризатор, измеряют интенсивность прошедшего через линейный поляризатор светового луча в зависимости от ориентации быстрых осей первого и второго компенсаторов по меньшем мере при одном положении оси линейного поляризатора и определяют состояние поляризации светового луча, характеризуемое 4 параметрами Стокса, по результатам Фурье-анализа угловой зависимости интенсивности прошедшего через линейный поляризатор светового луча.
1
2
Угловую зависимость интенсивности прошедшего через линейный поляризатор светового луча можно определять, когда первый и второй компенсаторы непрерывно вращают в одном направлении, при этом угловая частота ω первого компенсатора и угловая частота ω второго компенсатора удовлетворяет соотношению:
1
2
-1
ω≠ω,,c.
Угловую зависимость интенсивности прошедшего через линейный поляризатор светового луча можно определять, когда первый и второй компенсаторы пошагово вращают в одном направлении с изменением взаимной ориентации их быстрых осей.
Угловую зависимость интенсивности прошедшего через линейный поляризатор светового луча можно определять, когда первый и второй компенсаторы непрерывно или пошагово вращают в противоположных направлениях.
Угловую зависимость интенсивности прошедшего через линейный поляризатор светового луча можно определять, когда первый и второй компенсаторы вращают с угловым ускорением с изменением взаимной ориентации их быстрых осей.
Угловую зависимость интенсивности прошедшего через линейный поляризатор светового луча можно определять, когда первый компенсатор вращают с постоянной угловой частотой, а второй компенсатор вращают с угловым ускорением.
Угловую зависимость интенсивности прошедшего через линейный поляризатор светового луча можно определять, когда первый компенсатор вращают угловым ускорением, а второй компенсатор вращают с постоянной угловой частотой.
Угловую зависимость интенсивности прошедшего через линейный поляризатор светового луча можно определять, когда первый компенсатор вращают с постоянной угловой частотой, а второй компенсатор пошагово вращают в том же направлении.
Угловую зависимость интенсивности прошедшего через линейный поляризатор светового луча можно определять, когда первый компенсатор вращают с постоянной угловой частотой, а второй компенсатор пошагово вращают в противоположном направлении.
Угловую зависимость интенсивности прошедшего через линейный поляризатор светового луча можно определять, когда первый компенсатор пошагово вращают, а второй компенсатор вращают с постоянной угловой частотой в противоположном направлении.
Угловую зависимость интенсивности прошедшего через линейный поляризатор светового луча можно определять, когда первый компенсатор пошагово вращают, а второй компенсатор вращают в том же направлении с постоянной угловой частотой.
Угловую зависимость интенсивности прошедшего через линейный поляризатор светового луча можно определять, когда первый компенсатор вращают с угловым ускорением, а второй компенсатор пошагово вращают в противоположном направлении.
Угловую зависимость интенсивности прошедшего через линейный поляризатор светового луча можно определять, когда первый компенсатор вращают с угловым ускорением, а второй компенсатор пошагово вращают в том же направлении.
Угловую зависимость интенсивности прошедшего через линейный поляризатор светового луча можно определять, когда первый компенсатор пошагово вращают, а второй компенсатор вращают с угловым ускорением в противоположном направлении.
Угловую зависимость интенсивности прошедшего через линейный поляризатор светового луча можно определять, когда первый компенсатор пошагово вращают, а второй компенсатор вращают с угловым ускорением в том же направлении.
В части устройства поставленная задача решается тем, что устройство для измерения состояния поляризации светового луча включает оптически последовательно соединенные первый компенсатор, установленный с возможностью непрерывного или пошагового вращения, второй компенсатор, установленный с возможностью непрерывного или пошагового вращения соосно с первым компенсатором, линейный поляризатор с возможностью пошагового вращения, детектор прошедшего через линейный поляризатор оптического луча, процессор, средство непрерывного или пошагового вращения первого компенсатора, средство непрерывного или пошагового вращения второго компенсатора и средство пошагового вращения линейного поляризатора. Выход детектора соединен с входом процессора, первый выход процессора подключен к входу средства непрерывного или пошагового вращения первого компенсатора, второй выход процессора соединен со входом средства непрерывного или пошагового вращения второго компенсатора, третий выход процессора соединен со входом средства пошагового вращения линейного поляризатора.
2
3
Первый и второй компенсаторы могут быть выполнены из одиночных плоскопараллельных пластин из оптически анизотропного материала или из стопки, по меньшей мере, двух плоскопараллельных пластин из оптически анизотропного материала (например, из: кристаллического кварца, MgF, СаСО).
Линейный поляризатор может быть выполнен в виде линейного поляризатора, действие которого основано на эффекте линейного дихроизма, или в виде поляризационной призмы, действие которой основано на эффекте двулучепреломления (например: призма Глана, призма Глана-Томпсона, призма Глана-Тейлора, призма Рошона, призма Волластона), или в виде линейного поляризатора, действие которого основано на эффекте изменения поляризации при отражении и преломлении света.
В детекторе преобразование света в электрический сигнал может осуществляться с помощью нескольких или одного: одноканального фотоэлектронного умножителя, многоканального фотоэлектронного умножителя, фотодиода, позиционно-чувствительного фотодиода, лавинного фотодиода, многоканального лавинного фотодиода, одномерного массива фотодиодов, двумерного массива фотодиодов, фотосопротивления, позиционно-чувствительного фотосопротивления, линейки или матрицы сенсоров типа прибора с зарядовой связью (ПЗС), линейки или матрицы сенсоров типа металл-оксид-полупроводник (МОП), линейки или матрицы микроболометров.
В детекторе, перед преобразованием света в электрический сигнал может осуществляться: разложение света в спектр с помощью призмы или дифракционной решетки, разделение светового потока на две или более частей, пропускание светового потока через оптические волноводы, фокусировка световых лучей, фильтрация спектрального состава световых лучей, отражение световых лучей.
1
2
В настоящем изобретении поставленная задача решается путем замены первого вращающегося линейного поляризатора, используемого в способе-прототипе, на вращающийся компенсатор. Можно показать, что при такой замене зависимость интенсивности падающего на детектор света от ориентации быстрых осей компенсаторов описывается аналитическим выражением, содержащим сумму слагаемых. Сумма содержит одно постоянное слагаемое, независящее от ориентации быстрых осей первого и второго компенсаторов. Все остальные слагаемые, помимо косинусов и синусов углов, описывающих ориентации быстрых осей первого и второго компенсаторов, содержат произведение одного из параметров Стокса на множитель, зависящий от вносимых первым и вторым компенсаторами сдвигов фаз δ и Δ, соответственно. В частности, параметры Стокса S и S входят только в виде произведений с множителями:
3
А параметр Стокса S входит только в виде произведений с множителями:
Таким образом, настоящий способ применим во всем спектральном диапазоне, в котором хотя бы один из множителей (1) заметно отличен от нуля, и, одновременно с этим, хотя бы один из множителей (2) заметно отличен от нуля. При этом за счет выбора различных слагаемых, содержащих одни и те же параметры Стокса, но разные множители из (1) и (2), можно обеспечить применимость настоящего изобретения в более широком спектральном диапазоне, по сравнению с диапазоном применимости способа-прототипа.
При вращении первого и второго компенсатора в одном направлении, угловые частоты не должны быть равны, т.к. можно показать, что сонаправленное вращение с одинаковыми угловыми частотами двух различных компенсаторов эквивалентно вращению одного составного компенсатора и известному способу определения состояния поляризации (см. патент US №6822738, МПК G01N 21/00, опуб. 23.11.2004).
Настоящее изобретение поясняется чертежом, где:
на фиг.1 схематически показано в аксонометрии устройство для измерения состояния поляризации светового луча;
на фиг.2 схематически приведена блок-схема устройства;
на фиг.3 представлена спектральная зависимость множителей согласно (1), входящих в выражение для угловой зависимости интенсивности, для случая использования в качестве первого и второго компенсаторов фазовых пластин - плоскопараллельных пластин из оптически анизотропного MgF2 с толщинами 8,391 мкм и 12,929 мкм, соответственно. Такие фазовые пластины действуют как четвертьволновые фазовые пластины нулевого порядка на длинах волн света 405 нм и 610 нм;
на фиг.4 представлена спектральная зависимость множителей согласно (2), входящих в выражение для угловой зависимости интенсивности, для случая использования в качестве первого и второго компенсаторов тех же ФП из MgF2 с толщинами 8,391 мкм и 12,929 мкм.
1
2
Устройство для измерения состояния поляризации светового луча включает (см. фиг.1 и фиг.2) оптически последовательно соединенные первый компенсатор 1, установленный с возможностью непрерывного вращения с угловой частотой ω или с возможностью пошагового вращения, второй компенсатор 2, установленный с возможностью непрерывного вращения с угловой частотой ω или с возможностью пошагового вращения, соосно с первым компенсатором 1, линейный поляризатор 3 с возможностью пошагового вращения и детектор 4 прошедшего через линейный поляризатор 3 оптического луча. Устройство также включает процессор 5, средство 6 непрерывного или пошагового вращения первого компенсатора 1, средство 7 непрерывного или пошагового вращения второго компенсатора 2 и средство 8 пошагового вращения линейного поляризатора 3. Выход детектора 4 соединен со входом процессора 5, первый выход процессора 5 подключен к входу средства 6 непрерывного или пошагового вращения первого компенсатора 1, второй выход процессора 5 подключен к входу средства 7 непрерывного или пошагового вращения второго компенсатора 2, а третий выход процессора соединен со входом средства 8 вращения линейного поляризатора 3.
Способ измерения состояния поляризации светового луча осуществляют следующим образом. Световой луч сначала пропускают через первый компенсатор 1, вносящий сдвиг фаз δ, затем через второй компенсатор 2, вносящий сдвиг фаз Δ, затем через линейный поляризатор 3, после чего луч попадает на детектор 4. Под компенсаторами 1 и 2 здесь понимаются работающие на пропускание оптические элементы, вносящие заданные сдвиги фаз между двумя ортогональными линейно поляризованными световыми волнами (см. Р.Аззам, Н.Башара. «Эллипсометрия и поляризованный свет». М.: Мир, 1981 г.). В процессе работы устройства на детекторе 4 измеряют интенсивность прошедшего через линейный поляризатор 3 светового луча в зависимости от ориентации быстрой оси первого компенсатора 1 и второго компенсатора 2 при неподвижном линейном поляризаторе 3. Сигналы из детектора 4 поступают в процессор 5, где состояние поляризации светового луча, характеризуемое 4 параметрами Стокса, определяют по результатам Фурье-анализа угловой зависимости интенсивности прошедшего через линейный поляризатор светового луча. Состояние поляризации определяют для одной фиксированной ориентации оси линейного поляризатора 3, или для нескольких различных ориентации оси линейного поляризатора 3, устанавливаемых с помощью средства 8 вращения линейного поляризатора 3, управляемого сигналами, поступающими из процессора 5, с последующим усреднением результатов.
1
2
1
Измерять зависимость интенсивности прошедшего через линейный поляризатор 3 светового луча от ориентации быстрой оси первого компенсатора 1 и второго компенсатора 2 - угловую зависимость - можно путем непрерывного вращения первого компенсатора 1 с угловой частотой ω с помощью средства 6 непрерывного или пошагового вращения, управляемого сигналами, поступающими из процессора 5, и, одновременно, непрерывного вращения второго компенсатора 2 с угловой частотой ω, отличной от ω, с помощью средства 7 непрерывного или пошагового вращения, управляемого сигналами, поступающими из процессора 5. Сигналы из детектора 4 поступают в процессор 5, где состояние поляризации светового луча, характеризуемое 4 параметрами Стокса, определяется по результатам Фурье-анализа периодической временной зависимости интенсивности.
1
2
1
2
-1
Компенсаторы 1 и 2 могут вращаться в одном направлении или в противоположных направлениях. При вращении компенсаторов 1 и 2 в противоположных направлениях соотношение угловых частот вращения первого компенсатора ω и второго компенсатора ω может быть любым, включая равенство величин угловых частот. При вращении компенсаторов 1 и 2 в одном направлении угловые частоты компенсаторов не должны быть равны ω≠ω,c. Первый и второй компенсаторы 1 и 2 можно пошагово вращать в одном направлении с изменением взаимной ориентации их быстрых осей. Первый и второй компенсаторы 1 и 2 можно пошагово вращать в противоположных направлениях. Первый и второй компенсаторы 1 и 2 можно вращать с угловым ускорением с изменением взаимной ориентации их быстрых осей. Первый компенсатор 1 можно вращать с постоянной угловой частотой, а второй компенсатор 2 вращать с угловым ускорением. Первый компенсатор 1 можно вращать с угловым ускорением, а второй компенсатор 2 вращать с постоянной угловой частотой. Первый компенсатор 1 можно вращать с постоянной угловой частотой, а второй компенсатор 2 пошагово вращать в том же направлении. Первый компенсатор 1 можно вращать с постоянной угловой частотой, а второй компенсатор 2 пошагово вращать в противоположном направлении. Первый компенсатор 1 можно пошагово вращать, а второй компенсатор 2 вращать с постоянной угловой частотой в противоположном направлении. Первый компенсатор 1 можно пошагово вращать, а второй компенсатор 2 вращать в том же направлении с постоянной угловой частотой. Первый компенсатор 1 можно вращать с угловым ускорением, а второй компенсатор 2 пошагово вращать в противоположном направлении. Первый компенсатор 1 можно вращать с угловым ускорением, а второй компенсатор 2 пошагово вращать в том же направлении. Первый компенсатор 1 можно пошагово вращать, а второй компенсатор 2 вращать с угловым ускорением в противоположном направлении. Первый компенсатор 1 можно пошагово вращать, а второй компенсатор 2 вращать с угловым ускорением в том же направлении.
Пусть для каждой энергии фотонов Е (эВ), компенсаторы 1 и 2 вносят сдвиги фаз δ(E) (рад.) и Δ(Е) (рад.), соответственно. Тогда измерение всех 4-х параметров Стокса будет возможно в спектральном диапазоне, для всех энергий фотонов которого одновременно выполняются два условия:
При использовании в качестве компенсаторов 1 и 2 фазовых пластин - плоскопараллельных пластин из оптически анизотропного материала - зависимость вносимых сдвигов фаз от энергии фотонов будет определяться соотношением (см. Р.Аззам, Н.Башара. «Эллипсометрия и поляризованный свет». М.: Мир, 1981 г.):
1
2
0
е
1
2
2
где Е - энергия фотонов, эВ; D и D - толщины фазовых пластин, мкм, используемых в компенсаторе 1 и в компенсаторов 2, соответственно; n(Е) и n(Е) - показатели преломления материалов пластин для обыкновенного и необыкновенного лучей (см. Э.Борн, И.Вольф. Основы оптики. Наука, М., 1970 г.). Для компенсаторов такого типа существует множество вариантов выбора толщин D и D так, чтобы для широкого спектрального диапазона всегда выполнялись условия (3). В качестве примера на фиг.3 и фиг.4 представлены спектральные зависимости множителей в (3) и (4) для случая изготовленных из MgF фазовых пластин с толщиной 8,391 мкм для компенсатора 1 и 12,929 мкм для компенсатора 2. Такие компенсаторы будут действовать, в частности, как четвертьволновые фазовые пластины нулевого порядка на длинах волн 405 нм и 610 нм, соответственно. Из фиг.3 и фиг.4 видно, что множители, входящие в (3) одновременно не достигают нуля в широком спектральном диапазоне энергий фотонов 0,5-9,2 эВ (диапазон длин волн 2500-135 нм).
Основными преимуществами настоящего изобретения являются: (1) возможность измерения всех 4-х параметров Стокса в широком спектральном диапазоне 0,5-9,2 эВ; (2) возможность самокалибровки (одновременно с измерением всех 4-х параметров Стокса могут быть определены сдвиги фаз, вносимые компенсаторами и поправки к шкалам их азимутальных углов); (3) совместимость с различными типами детекторов.