DE10154008C1

DE10154008C1 - Verfahren und Anordnung zur spannungsoptischen Analyse von Festkörpern

Info

Publication number: DE10154008C1
Application number: DE10154008A
Authority: DE
Inventors: Hans-Dieter Geiler; Matthias Wagner
Original assignee: Individual
Current assignee: Pva Metrology & Plasma Solutions De GmbH
Priority date: 2001-10-28
Filing date: 2001-10-28
Publication date: 2003-04-30
Anticipated expiration: 2021-10-29
Also published as: US20030081196A1; US6927853B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur spannungsoptischen Analyse von Festkörpern auf Basis der Messung der Veränderung des Polarisationszustandes von Licht beim Materialdurchgang. DOLLAR A Die Aufgabe, eine neuartige Möglichkeit zur Messung von Spannungen in Festkörpern auf Basis der Spannungsdoppelbrechung zu finden, die insbesondere für kleine Änderung des Polarisationszustandes eine hochempfindliche quantitative Bestimmung der Phasendifferenz bei weitgehender Unterdrückung von statistisch gleichverteilten Störeinflüssen (z. B. Streuung) auf das Messergebnis erlaubt, wird erfindungsgemäß gelöst, indem der auf das Objekt einfallende Strahl elliptisch polarisiert wird, wobei die elliptische Polarisation mit einem vergleichsweise großen Verhältnis von großer zu kleiner Hauptachse erfolgt, der Drehsinn der elliptischen Polarisation des einfallenden Strahls periodisch geändert wird, wobei zwei alternative Zustände des Drehsinns für je einen Messvorgang verwendet werden, aufeinander senkrecht stehende Detektionskanäle im Wesentlichen entsprechend der Lage der Hauptachsen der elliptischen Polarisation eingestellt werden und aus den beiden Detektionskanälen jeweils die Differenz von zwei zeitlich nacheinander erfolgenden Messungen mit entgegengesetztem Drehsinn der elliptischen Polarisation gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur spannungsoptischen Analyse von Festkörpern auf Basis der Messung der Veränderung des Polarisationszustandes von Licht beim Materialdurchgang.

Auf dem Gebiet der Prüfung von Materialien auf Spannungsfreiheit hat es sich als wünschenswert herausgestellt, Spannungen im Prüfling mittels einer der Scherspannung proportionalen Größe polarimetrisch zu messen. Das eigentliche Problem dieser an sich bekannten Methode besteht allerdings darin, dass sich die dabei zu messende Größe aus typischerweise extrem geringen Phasenverschiebungen (Γ < 10^-4) zwischen ordentlichem und außerordentlichem Strahl ergibt. Es ist dabei selbstverständlich, daß bei derart kleinen Messgrößen vielfältige Störungen das Messergebnis in unerwünschter Weise beeinflussen können, die deshalb geeignet unterdrückt werden müssen. Die ökonomisch sinnvolle Evaluation von Prüflingen in einem Produktionsprozeß erfordert darüber hinaus Meßzeiten, die in der Größenordnung der Prozesstaktzeit liegen also möglichst kurz sind.

Somit sind bekannte technische Lösungen daran zu messen, inwieweit sie diese drei genannten Bedingungen gleichzeitig erfüllen können.

Die Anwendung und der Aufbau von Polarimetern zur Erfassung von Spannungszuständen in Platten unter Ausnutzung des Effekts der Spannungsdoppelbrechung sind in der Literatur vielfach beschrieben. Ein allgemeiner Überblick über die derzeit gebräuchlichen Verfahren wird von J. W. Dally und W. F. Riley [in: Experimental Stress Analysis, McGraw-Hill, New York 1991, S. 424-505] gegeben.

Die bekannten Konzepte und praktischen Realisierungen einfacher Grundaufbauten von Polarimetern sind ebenfalls den Druckschriften DE 31 29 505 A1 und DE 36 44 705 C2 zu entnehmen.

In DE 31 29 505 A1 wird der Prüfling in bekannter Weise mit monochromatischem, zirkular polarisiertem Licht durchstrahlt und die Änderung dieses Polarisationszustandes durch eine Analysator-Kombination aus λ/4-Platte und Wollaston-Prisma über zwei Lichtausgangskanäle mittels Photozellen als Lichtleistung I detektiert. Dieses Verfahren liefert die Phasenverschiebung Γ über die Beziehung tan²Γ = I₁/I₂, wobei I₁ und I₂ die Intensitäten der beiden Lichtausgangskanäle sind. Man erkennt sofort, dass diese Methode keine Richtungsaussage über die Lage der Hauptschwingungsrichtungen sowie ausschließlich eine quadratische Abhängigkeit der Phasenverschiebung liefert. Infolge der quadratischen Abhängigkeit geht gerade für kleine Phasenverschiebungen Γ die Empfindlichkeit gegen Null und statistisch gleichverteilte Depolarisationen im Material führen zu einer Verfälschung des Messergebnisses in Richtung zu hoher Werte der Phasenverschiebung.

Ein solcher Mangel an Richtungsaussage ist im Patent DE 36 44 705 C2 behoben worden, indem mit linear polarisiertem Licht gearbeitet wird und der Winkel zwischen Hauptschwingungsrichtungen und Polarisationsrichtung über mechanisch bewegte Elemente variiert wird. In Abwandlung und Erweiterung des in DE 36 44 705 C2 beschriebenen Prinzips sind auch Messverfahren bekannt geworden, die die Messung mit zwei um 45° oder 90° verdrehten linearen Polarisationsrichtungen ausführen (US 4,629,323; US 5,521,705). Keines dieser Verfahren ist jedoch in der Lage, die aus der quadratischen Abhängigkeit resultierenden Nachteile einer extrem geringen Messempfindlichkeit für kleine Phasenverschiebungen und einer Verfälschung der Messergebnisse in Richtung zu hoher Werte durch Beiträge von im Material statistisch gleichverteilten Depolarisationen zu beheben.

Einen weiteren grundlegenden Ansatz bilden Konzepte, bei denen versucht wird, die Elemente der Muellermatrix direkt zu bestimmen [R. M. A. Azzam, Opt. Lett. 2 (6) (1978) 148]. Als praktische Realisierungen sind Anordnungen als Zweikanalpolarimeter bekannt geworden, bei dem die Intensitätsänderung eines linear polarisierten Lichtstrahls nach Wechselwirkung mit der Probe in zwei orthogonal analysierenden Empfängerkanälen erfasst wird.

Eine im Patent US 5,247,176 offenbarte Lösung weist zwei synchron mit unterschiedlicher Geschwindigkeit rotierende Phasenverzögerer (dem Fachmann als Retarder geläufig) auf. Neben dem Einsatz zweier Retarder erfordert diese Lösung einen extrem hohen Aufwand an optisch-mechanischer Präzision der Rotationsapparatur sowie erheblichen numerischen Berechnungsaufwand, da das Messergebnis aus der Fourieranalyse der Messsignale gewonnen wird. Obwohl das Verfahren auch bei kleinen Phasenverschiebungen (um Γ = 0) eine nicht verschwindende Messempfindlichkeit besitzt, ist die Genauigkeit dadurch limitiert, dass in das Messergebnis Fourierkoeffizienten höherer Ordnung mit hohem Gewicht eingehen. Die genaue Bestimmung solcher Koeffizienten erfordert eine präzis synchronisierte und gleichmäßige Rotation der beiden Retarder, ist somit sehr aufwendig und zeitintensiv.

Die Tauglichkeit der in DE 42 11 742 A1 beschriebenen Realisierung ist von der exakten gegenseitigen mechanischen Justierung mehrerer hintereinanderangeordneter polarisationsselektiver Baugruppen abhängig. Die Güte dieser Justierung bestimmt direkt die Messempfindlichkeit und -genauigkeit der Anordnung. Das bedeutet, dass gerade für die Messung von kleinen Phasenverschiebungen (um Γ = 0) der Justieraufwand stark anwächst. Darüber hinaus ist diese Realisierung prinzipbedingt ungeeignet, Beiträge statistisch gleichverteilter Depolarisationen im Messobjekt zu unterdrücken.

In der WO 98/55844 A1 wird hingegen der Versuch unternommen, eine lineare Abhängigkeit der Signale von der Phasenverschiebung zu erzeugen. Das beschriebene in Reflexion wirkende Polarimeter nutzt zirkular polarisiertes Licht und analysiert dies in einem Stokesmeter, um die 1. Stokeskomponente auszunutzen. Tatsächlich werden in einem parallelen und gekreuzten Kanal jeweils Signale der Struktur

1 ± 2 sin Γ sin 2γ

empfangen, deren Differenzbildung die lineare Abhängigkeit für kleine Phasenverschiebungen liefert. Gerade hier liegt aber das Problem, da zwei große Signale voneinander subtrahiert werden müssen, um eine kleine Differenz (10^-5) zu erhalten. Dieser Dynamikbereich überfordert herkömmliche Differenzverstärker und lässt numerische Subtraktionen im Rauschbereich der Signale wirken.

Des Weiteren hat das Verfahren den großen Nachteil, dass die zirkulare Polarisation auf die Größenordnung von 10^-6 im Achsenverhältnis gewährleistet werden muss. Dies liegt um zwei Größenordnungen unter der derzeit erzielbaren Präzision von λ/4-Plättchen.

Somit ist keine der vorstehenden Lösungen des Standes der Technik in der Lage, eine hohe Messempfindlichkeit für kleine Phasenverschiebungen (um Γ = 0) bei definiert gerichteten Depolarisationen infolge von Spannungsdoppelbrechung und eine Unterdrückung von im Messobjekt statistisch gleichverteilten Depolarisationen gleichzeitig und mit vertretbarem technischen Aufwand zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Möglichkeit zur Messung von Spannungen in Festkörpern auf Basis der Spannungsdoppelbrechung zu finden, die insbesondere für kleine Änderung des Polarisationszustandes eine hochempfindliche quantitative Bestimmung der Phasendifferenz (zwischen ordentlichem und außerordentlichem Strahl) bei weitgehender Unterdrückung von statistisch gleichverteilten Störeinflüssen (z. B. Streuung) auf das Messergebnis erlaubt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Verfahren zur spannungsoptischen Analyse, bei dem auf das zu untersuchende Objekt ein einfallender Strahl polarisierten Lichtes gerichtet wird und ein das Objekt verlassendes Lichtbündel in zwei bezüglich der Polarisationsrichtung aufeinander senkrecht stehenden Detektionskanälen analysiert wird, dadurch gelöst, dass der einfallende Strahl elliptisch polarisiert wird, wobei die elliptische Polarisation mit einer Ellipsenform, die ein vergleichsweise großes Verhältnis von großer zu kleiner Hauptachse aufweist, was einen kleinen Latitudewinkel (Elliptizität) bedeutet, erfolgt, dass der Drehsinn der elliptischen Polarisation (Vorzeichen des Latitudewinkels) des einfallenden Strahls bei konstantem Longitudewinkel (Azimutwinkel der großen Hauptachse) periodisch geändert wird, wobei zwei alternative Zustände des Drehsinns für je einen Messvorgang verwendet werden, dass die aufeinander senkrecht stehenden Detektionskanäle entsprechend der Lage der Hauptachsen der Ellipse, exakt nach dem Longitudewinkel bei zur Justage vorgewähltem Latitudewinkel von Null (lineare Polarisation), eingestellt werden und dass aus den beiden Detektionskanälen jeweils die Differenz von zwei zeitlich nacheinander erfolgenden Messungen mit gleicher Strahlintensität des einfallenden Strahls sowie gleichem Hauptachsenverhältnis, jedoch entgegengesetztem Drehsinn der elliptischen Polarisation gebildet wird.

Vorteilhaft lässt sich die elliptische Polarisation erzeugen, indem der auf das Objekt einfallende Strahl zunächst linear polarisiert wird, zu dem auch die beiden Detektionskanäle jeweils parallel und senkrecht exakt ausgerichtet sind, und im Weiteren eine doppelbrechende Phasenverzögerungsplatte passiert, wobei das Hauptachsenverhältnis und der Drehsinn der elliptischen Polarisation durch die gegenseitige Ausrichtung der räumlichen Lage der linearen Polarisation zu den Hauptachsen der Phasenverzögerungsplatte eingestellt werden. Dazu wird bei den zur Differenzbildung herangezogenen Messungen die Winkellage der schnellen Hauptachse der Verzögerungsplatte derart verändert, dass sich der Drehsinn der elliptischen Polarisation bei unverändertem Betrag des Hauptachsenverhältnisses der elliptischen Polarisation (Tangens des Latitudewinkels) umkehrt.

Eine weitere zweckmäßige Variante der Erzeugung der elliptischen Polarisation ergibt sich, indem der einfallende Strahl ebenfalls vor dem Objekt linear polarisiert wird und einen steuerbaren Phasenmodulator passiert, wobei das Hauptachsenverhältnis und der Drehsinn der elliptischen Polarisation durch Steuersignalen des Phasenmodulators eingestellt werden. Dabei werden die Steuersignale des Phasenmodulators periodisch so moduliert, dass eine elliptische Polarisation mit periodisch wechselndem Drehsinn entsteht, und die Differenzbildung aufeinanderfolgender Messungen durch einen Lock-in-Detektor erfolgt, der mit dem Steuersignal des Phasenmodulators synchron getaktet wird.

Um einen linear polarisierten einfallenden Strahl zu erhalten wird vorzugsweise ein linear polarisierter Laserstrahl verwendet.

Zweckmäßig werden der einfallende Strahl in seiner Intensität moduliert und die Messwerte der Detektionskanäle mittels eines modulationssynchronen Lock-in- Detektors erfasst, um die nur sehr kleinen spannungsbedingten Phasenverschiebungen der Polarisation rauscharm zu messen.

Die Grundzüge des erfindungsgemäßen Verfahrens sollen nachfolgend anhand einer mathematisch-physikalischen Beschreibung erläutert werden.

Das Messobjekt sei durch die Phasendifferenz 2Γ charakterisiert, die durch seine Doppelbrechung zwischen ordentlichem (o) und außerordentlichem (e) Strahl erzeugt wird

wobei n_e, n_o die Hauptbrechungsindizes des Materials, d die Dicke des Prüflings sowie λ die Wellenlänge des Lichts bedeuten.

Der Winkel zwischen E-Feldvektor des einfallenden, linear polarisierten Lichtes und schneller Achse des (zumindest lokal) doppelbrechenden Messobjekts sei mit γ bezeichnet. Der Retarder sei mit dem gleichen Formalismus beschrieben, wobei seine Phasenverschiebung mit Λ und der Winkel zwischen E-Feldvektor und schneller Achse mit ρ bezeichnet seien.

Bezeichnen I_|| bzw. I_⟂ die normierten Lichtintensitäten auf den Lichtempfängern, die das zur Ausrichtung des linearen Polarisators parallele bzw. senkrecht polarisierte Licht detektieren, so ergibt sich (im Falle einer auf Eins normierten Intensität I_|| + I_⟂ = 1) für den senkrecht orientierten Kanal

Die Änderung des Drehsinns der elliptischen Polarisation wird durch die Umkehr des Vorzeichens von Λ (elektrooptische Steuermöglichkeit) oder durch den Übergang ρ → ρ ± 90° (mechanische Steuermöglichkeit) beschrieben. Man erkennt, dass bei zeitlich getrennten Messungen in zwei Messphasen A und B, die sich lediglich durch das Vorzeichen von Λ oder in ρ um den Betrag von 90° unterscheiden, nur das letzte Glied der Summe zum Messergebnis des senkrechten Kanals beiträgt.

Bezeichnen I_{⟂_A} und I_{⟂_B} die gemessenen normierten Intensitäten in den Messphasen A und B, so berechnet sich das Messergebnis als

und es wird

ΔI_⟂ = I_⟂(+) - I_⟂(-) = sin2Λsin2ρ.sin2Γsin2γ

Für kleine Phasenverschiebungen Γ ist dies direkt proportional der lokalen Scherspannung τ im Messobjekt:

ΔI_⟂ ≈ 2Γsin2γ ~ τ.

Es ist ersichtlich, dass die obige mathematischen Beschreibung invariant hinsichtlich einer Vertauschung der Variablenpaare Γ, γ und Λ, ρ ist. Dies bedeutet, dass die Positionen des Retarders und des Messobjekts im Strahlengang vertauscht werden können.

Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung bei einer Anordnung zur spannungsoptischen Analyse von Materialen auf Basis von Spannungsdoppelbrechung, bei der eine Lichtquelle zur Erzeugung eines polarisierten, auf ein zu untersuchendes Objekt einfallenden Strahls vorgesehen ist und ein Polarisationsteiler zur Aufteilung eines aus dem Objekt austretenden Lichtbündels auf zwei Lichtempfängern zur Detektion aufeinander senkrecht stehender Polarisationsrichtungen vorhanden ist, dadurch gelöst, dass eine optische Einheit zur Erzeugung von elliptisch polarisiertem Licht mit einstellbarem Verhältnis der Hauptachsen der elliptischen Polarisation vorhanden ist, wobei der Drehsinn der elliptischen Polarisation bei gleichem Verhältnis der Hauptachsen entgegengesetzt einstellbar ist, dass der als Analysator wirkende Polarisationsteiler für die aufeinander senkrecht stehenden Polarisationsrichtungen entsprechend der Lage der Hauptachsen der Ellipse (Longitudewinkel) ausgerichtet ist, dass eine elektronische Steuereinheit zum Synchronisieren und Zuordnen der Intensitätswerte der beiden Lichtempfängern zu den mittels der optischen Einheit eingestellten Zuständen elliptischer Polarisation vorhanden ist und dass eine Verarbeitungseinheit zur Auswertung der Intensitätswerte der beiden Lichtempfängern für jeweils zwei zusammengehörige Zustände mit entgegengesetztem Drehsinn der elliptischen Polarisation vorhanden ist, wobei eine Differenzbildung der für zusammengehörige Zustände gemessenen Intensitätswerte des einen Lichtempfängers sowie eine Normierung dieser Differenz auf die Summe der Intensitätswerte beider Lichtempfängern für beide zusammengehörige Zustände vorgesehen sind.

Als optische Einheit zur Einstellung zweier Zustände entgegengesetzten Drehsinns der elliptischen Polarisation wird vorzugsweise ein steuerbarer optischer Phasenschieber (nachfolgend Retarder genannt) verwendet, der im optischen Lichtweg zwischen Lichtquelle und Polarisationsteiler angeordnet ist.

Dabei kann die optische Einheit vorteilhaft ein mechanisch gesteuerter Retarder, wobei der Retarder eine änderbare Winkellage aufweist, oder ein elektronisch steuerbarer optischer Phasenmodulator, der eine wechselnde Phasenverzögerung aufweist, sein.

Als optischer Phasenmodulator können ein elektro- oder magnetooptischer Phasenmodulator zum Einsatz kommen, wobei die Phasenverzögerung durch Änderung der Steuerspannung oder des Steuerstroms einstellbar ist.

Als besonders geeignet sind die Ausführungsformen mit elektronischen Phasen- oder Polarisationsdrehern zu favorisieren, die keine mechanisch bewegten optischen Teile enthalten und deshalb hohe Messgeschwindigkeit und Präzision aufweisen, die den Einsatz für systematische punktweise Abtastung großflächiger Messobjekte erlauben.

Grundgedanke der Erfindung ist es, eine an sich bekannte Anordnung zur Polarisationsanalyse durch zusätzliche Bauteile derart zu verändern, dass das zur Analyse des Messobjektes verwendete Licht nicht wie üblich linear, sondern stark elliptisch (mit kleinem Latitudewinkel, d. h. mit einem vergleichsweise großen Verhältnis der großen zur kleinen Hauptachse) polarisiert ist. Die Verwendung derart elliptisch polarisierten Lichts führt zu dem Ergebnis, dass die Intensität auf dem Lichtempfänger, der denjenigen Anteil des Lichtes empfängt, dessen Schwingungsrichtung der Richtung der kleinen Hauptachse der elliptischen Polarisation entspricht, für schwache Doppelbrechung des Messobjektes nicht quadratisch, sondern linear von der Phasenverschiebung des Lichts im Messobjekt abhängt, was eine extreme Steigerung der Messempfindlichkeit für kleine Phasenverschiebungen gewährleistet. Um die Messung quantitativ auswertbar zu machen, sind Messwerte in zwei unterschiedlichen Zuständen (Messphasen A und B) aufzunehmen, die dadurch gekennzeichnet sind, dass bei gleichem Hauptachsenverhältnis der Drehsinn der elliptischen Polarisation in den Messphasen A und B entgegengesetzt ist. Das Ergebnis wird aus einer Differenzbildung von Intensitätswerten aus den Phasen A und B gewonnen. Diese Differenzbildung kann sowohl durch sequentielle Einzelmessungen in den Messphasen A und B und nachfolgende numerischer Datenverarbeitung als auch durch eine zeitlich periodische Modulation des Drehsinns der elliptischen Polarisation, verbunden mit einer der bekannten phasensynchronen Detektionstechniken (z. B. Lock-in-Detektion) erfolgen. Damit ist die durch die spannungsbedingte Doppelbrechung verursachte Änderungen des Polarisationszustandes (Depolarisation durch vorzeichenbehaftete Phasenver schiebung im Material) von störenden Anteilen, wie sie z. B. durch statistische depolarisierende Streuung im Material entstehen (nicht vorzeichenbehaftete Depolarisationseffekte) abtrennbar.

Auf Basis des Grundgedanken der Erfindung ist außerdem die Messempfindlichkeit der Apparatur in weiten Grenzen einstellbar, wenn man das Hauptachsenverhältnis der elliptischen Polarisation variabel einstellbar gestaltet.

Für eine Quantifizierung der Ergebnisse sind zusätzlich Kalibrierungsmessungen sinnvoll:

1. Kalibrierung des Nullpunktes. Aufgrund technischer Unzulänglichkeiten jedes realen Systems entstehen zwischen den Messphasen A und B Unsymmetrien, die auch ohne Messobjekt zu
führen und durch einen Nullpunktabgleich kompensiert werden müssen. Hierfür wird eine Messung ohne Messobjekt (Γ = 0) ausgeführt. Durch einen Abgleich der Werte Λ bzw. ρ der beiden Messphasen A und B wird ΔI_⟂ = 0 herbeigeführt.
2. Kalibrierung der Messempfindlichkeit. Die Messempfindlichkeit wird durch die Größe K = sin2Λsin2ρ bestimmt. Diese Größe wird ermittelt, indem eine weitere Messung ohne Messobjekt (Γ = 0) beispielsweise im Zustand der Messphase A ausgeführt wird. Mindestens eine der beiden Größen Λ oder ρ des Retarders ist stets bekannt, im Falle einer Verzögerungsplatte ist dies i. a. Λ, im Falle eines optischen Phasenmodulators i. a. ρ. Die Luftmessung (ohne Messobjekt) liefert den Wert
woraus K bestimmt werden kann.
3. Normierung der Intensität. Für die Normierung der am Lock-in-Detektor gewonnenen Messwerte
zur Ermittlung der Intensität ΔI_⟂ ist die Summe der Signalleistungen in den beiden Messphasen A und B zu bestimmen. Die in der vorstehenden mathematischen Beschreibung eingeführte normierte Intensität ΔI_⟂ wird dann bestimmt als

Da mindestens die im senkrecht polarisierten Detektionskanal zu messenden Intensitäten aufgrund des kleinen Hauptachsenverhältnisses des elliptischen Polarisation sehr klein sind, wird die Intensitätsmessung der beiden Detektionskanäle vorzugsweise durch Modulation der Lichtquelle und Lock-In-Detektion (entsprechend der allgemein bekannten Technik zur Detektion kleiner Lichtintensitäten) erfolgen.

Die Analyse der spannungsoptischen Eigenschaften über eine Fläche des Messobjekts hinweg geschieht im Falle eines in seiner Winkelorientierung veränderbaren Retarders durch zweimaliges Abrastern der Fläche bei unterschiedlicher Winkelorientierung und nachfolgender Subtraktion der jeweils zu einem Messpunkt gehörigen beiden Messdaten. Bei Verwendung eines elektro- oder magnetooptischen Phasenmodulators kann die Analyse der spannungsoptischen Eigenschaften über eine Fläche hinweg durch Abrastern der Fläche und Aufzeichnung des Ausgangssignals des Lock-In-Detektors, der zur Differenzbildung der Intensitätswerte des senkrecht polarisierten Detektionskanals aus den Phasen A und B eingesetzt wird, erfolgen.

Das Verfahren und die Anordnungen gemäß der Erfindung gestatten die Messung von Spannungen in Festkörpern auf Basis der Spannungsdoppelbrechung, die insbesondere für kleine Änderungen des Polarisationszustandes eine hochempfindliche quantitative Bestimmung der Phasendifferenzen bei weitgehender Unterdrückung von statistisch gleichverteilten Störeinflüssen (z. B. Streuung) auf das Messergebnis erreicht.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschema der erfindungsgemäßen Verfahrens zur spannungsoptischen Analyse in einer Transmissionsanordnung,

Fig. 2 eine Gestaltung einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer doppelbrechenden Phasenverzögerungsplatte mit einstellbarer Orientierung in einer ersten Messphase A,

Fig. 3 die gleiche Gestaltungsform wie in Fig. 2, jedoch in einer zweiten Messphase B,

Fig. 4 eine Realisierung der Erfindung in einer Transmissionsanordnung mit einem elektrooptischen Phasenmodulator anstelle des in Fig. 1 dargestellten steuerbaren Phasenschiebers

Fig. 5 die Zeitdiagramme einiger Signalverläufe der Messanordnung für die vorteilhafte Frequenzwahl F₁ = 2F₂,

Fig. 6 eine Realisierung der Erfindung in einer Reflexionsanordnung mit einem zusätzlichen optischen Teiler 19, aber ansonsten gleicher Signalaufnahme wie beim in Fig. 4 dargestellten Transmissionsverfahren.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die darauf aufbauenden Anordnungen lehnen sich an bekannte Grundaufbauten von Zweikanalpolarimetern unter Verwendung linear polarisierten Lichts zur Analyse von Phasenverschiebungen (Doppelbrechungseffekten) an. Solche bekannten Anordnungen, die aufeinanderfolgend aus einer Lichtquelle, einem linearen Polarisator, dem Messobjekt, einem Polarisationsteiler, dessen eine von zwei orthogonalen Polarisationsrichtungen unter 90° zur linearen Eingangspolarisation orientiert ist, sowie zwei Lichtempfängern, die in zwei orthogonalen Polarisationskanälen eintreffende Lichtintensitäten messen, bestehen, werden gemäß der Erfindung durch eine optische Einheit erweitert, die eine elliptische Polarisation des Lichtes hervorruft. Die elliptische Polarisation hat dabei die Besonderheit, dass die Polarisationsellipse ein sehr großes Verhältnis der großen zur kleinen Hauptachse aufweist und in zwei Messphasen A und B ein erster Zustand des Drehsinns der elliptischen Polarisation auf einen zweiten Zustand mit entgegengesetztem Drehsinn umgeschaltet werden kann. Diese Maßnahme lässt sich einerseits durch Änderung des Hauptachsenverhältnisses und andererseits durch Änderung der Richtung der einfallenden linearen Polarisation erzielen. Eine an sich bekannte optische Einheit, mit der diese Anforderungen realisierbar sind, ist eine phasenverzögernde Einrichtung (dem Fachmann als Retarder bekannt). Ein solcher Retarder kann für den erfindungsgemäß neuartigen Zweck prinzipiell in unterschiedlicher Weise steuerbar gestaltet werden:

a) wechselnde Winkelorientierung des Retarders (mechanisch gesteuerter Retarder),
b) wechselnde Phasenverzögerung des Retarders (elektro- oder magnetooptischer Phasenmodulator mit wechselnder Steuerspannung oder -strom),

Dem Fachmann mit Kenntnissen auf dem Gebiet der Polarisationsoptik sind weitere verwandte Techniken geläufig.

Im Fall (a) wird aufgrund der vergleichsweise kleinen Bewegungsgeschwindigkeiten der nötigen mechanischen Stellelemente die Differenzbildung durch sequentielle Einzelmessung und nachfolgende numerische Subtraktion der Messwerte erfolgen. Im Fall (b) kann hingegen aufgrund der großen Einstellgeschwindigkeiten elektrooptischer Bauelemente die Veränderung des Drehsinns der elliptischen Polarisation in Form einer Modulationstechnik erfolgen, so dass das Differenzsignal mittels der bekannten Technik der Lock-in-Detektion mit der Modulationsfrequenz als Referenztakt gebildet werden kann, was eine erhebliche Steigerung der Messgeschwindigkeit bis hin zur Echtzeitfähigkeit erlaubt.

In der Prinzipanordnung gemäß Fig. 1, anhand derer zunächst das erfindungsgemäße Verfahren erläutert werden soll, wird mit Hilfe einer Laserquelle 1 und eines Polarisators 2 ein Strahl linear polarisierten Lichtes erzeugt. Er passiert den optischen Phasenschieber 3, der einen Gangunterschied erzeugt, der vergleichsweise klein gegen die Wellenlänge des Laserlichtes ist (typischerweise λ/10 . . . λ/1000). Das den optischen Phasenschieber 3 verlassende Licht ist somit elliptisch polarisiert mit einem vergleichsweise großen Verhältnis der großen zur kleinen Ellipsen-Halbachse. Der optische Phasenschieber 3 besitzt die Eigenschaft, dass - wie weiter unten in den speziellen Ausführungsformen noch genauer beschrieben wird - der Drehsinn der elliptischen Polarisation und das Verhältnis der Halbachsen gesteuert werden können, um die Messung des spannungsoptischen Zustandes in die zwei Messphasen A und B aufzuteilen. Die Messphasen A und B unterscheiden sich darin, dass sich der Drehsinn der elliptischen Polarisation beim Übergang in die jeweils andere Phase umkehrt, wie in Fig. 1 mit unterschiedlichen Pfeilrichtungen an der Polarisationsellipse für Messphasen A und B kenntlich gemacht ist.

Nachdem dem auf das Messobjekt 4 einfallenden Strahl die elliptische Polarisation aufgeprägt wurde, erleidet er beim Durchdringen des Messobjekts 4 eine Störung seines Polarisationszustandes, die für den (lokalen) Spannungszustand im Messobjekt 4 charakteristisch ist. Ein Polarisationsteiler 5 spaltet ein das Messobjekt 4 verlassendes Lichtbündel in zwei linear polarisierte Anteile auf, deren Intensitäten I_⟂ und I_|| mit den Lichtempfängern 6 (Kanal senkrechter Polarisation) und 7 (Kanal paralleler Polarisation) gemessen werden. Die aus den Lichtempfängern 6 und 7 gewonnenen zugehörigen Photoströme S_⟂ und S_|| werden in der Verarbeitungseinheit 8 registriert und in Abhängigkeit vom Steuerzustand des optischen Phasenschiebers 3 verarbeitet.

Fig. 2 und 3 zeigen Realisierungen des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Transmissionsanordnung, wobei der in Fig. 1 dargestellte steuerbare Phasenschieber 3 durch eine doppelbrechende Phasenverzögerungsplatte 9 mit einstellbarer Orientierung realisiert wird. Dabei zeigt Fig. 2 die Stellung der Phasenverzögerungsplatte 9 in der Phase A, Fig. 3 die Stellung der Phasenverzögerungsplatte 9 in der Phase B einer Messung zur Bestimmung des Spannungszustandes dar.

Die in Fig. 2 dargestellt Messphase A ist dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverzögerungsplatte 9 um den Winkel ϕ_A gegenüber der Polarisationsrichtung des eintretenden linear polarisierten Lichtes (durch Doppelpfeil dargestellt) verdreht ist. Die Phasenverschiebung der Phasenverzögerungsplatte 9 liegt im Bereich von λ/10 . . . λ/1000, der Winkel ϕ_A im Bereich 0 . . . 45°. Der sich ergebende Drehsinn der Polarisationsellipse ist mit einem Pfeil an der Ellipse markiert.

Die in Fig. 3 dargestellt Messphase B beinhaltet, dass die Phasenverzögerungsplatte 9 um den Winkel ϕ_B gegenüber der Polarisationsrichtung des eintretenden linear polarisierten Lichtes verdreht ist, wobei ϕ_B = ϕ_A + 90° gilt. Der sich ergebende Drehsinn der Polarisationsellipse ist wiederum mit einem Pfeil an der Ellipse markiert.

Die Messeinrichtung 8 empfängt und verstärkt die von den Lichtempfängern 6 und 7 gewonnenen Photoströme in Fig. 2 und 3 in gleicher Weise.

Wird das Licht der Laserquelle 1 zur besseren Unterdrückung von Fremdlichteinflüssen intensitätsmoduliert, was durch eine beliebige Chopper-Einrichtung oder eine direkte Modulation der Laserquelle 1 erfolgen kann, dann besteht die Messeinrichtung 8 zweckmäßigerweise aus zwei Lock-in-Verstärkern (auch Lock-in-Detektoren genannt).

Die Messeinrichtung 8 verarbeitet die Photoströme der Lichtempfänger 6 und 7 in folgender Weise:

1. Messung der Photoströme der Lichtempfängern 6 und 7 bei Verdrehung der Phasenverzögerungsplatte 9 um den Winkel ϕ_A. Es werden die Messwerte
gemessen;
2. Messung der Photoströme der Lichtempfängern 6 und 7 bei Verdrehung der Phasenverzögerungsplatte 9 um den Winkel ϕ_B. Es werden die Messwerte
gemessen;
3. Normierung der gemessenen Messwerte
der Lichtempfänger 6 und 7 zu Intensitäten I_⟂ und I_|| mit der Eigenschaft I_|| + I_⟂ = 1;
4. Bildung der Differenz der Messwerte gemäß

Der Nullabgleich besteht in der Anordnung nach Fig. 2 und Fig. 3 darin, bei aus der Messanordnung entferntem Messobjekt 4 einen der beiden Winkel ϕ_A oder ϕ_B gegenüber der für ein ideales System geltenden Bedingung ϕ_B = ϕ_A + 90° geringfügig so zu verändern, bis ΔI_⟂ hinreichend nahe bei Null liegt.

Fig. 4 zeigt eine Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Transmissionsanordnung, in welcher der in Fig. 1 dargestellte steuerbare Phasenschieber 3 durch einen elektrooptischen Phasenmodulator 10 realisiert ist. Die Lichtquelle 1 wird von einem Modulator 15 angesteuert, der von einem Intensitäts- Taktgenerator 14 mit der Frequenz F₁ getaktet wird. Der elektrooptische Phasenschieber 10 wird von einem Steuerspannungsgenerator 11 angesteuert, der von einem Phasenschieber-Taktgenerator 12 mit der Frequenz F₂ getaktet wird. Der elektrooptische Phasenmodulator 10 ist mit ρ = 45° im Strahlengang orientiert, so dass die Umkehr seiner Steuerspannung zu einer Vorzeichenumkehr seiner Phasenverschiebung Λ führt. Die mit der Steuerung des Phasenmodulators 10 erzeugte Phasenverschiebung Λ liegt typischerweise im Bereich zwischen λ/10 . . . λ/1000.

Die Signale der Lichtempfänger 6 und 7 (Messwerte

gelangen zu einem zweikanaligen Lock-in-Detektor 16, mit dem die für die Normierung erforderliche Signalsumme aus

erfasst wird. Der Lock-in-Detektor 16 erhält sein Referenzsignal mit der Frequenz F₁ aus dem Intensitäts-Taktgenerator 14.

Die Signale aus dem Lichtempfänger 6

gelangen außerdem zu einem weiteren Lock-in-Verstärker 13, der sein Referenzsignal mit der Frequenz F₂ aus dem Phasenschieber-Taktgenerator 12 erhält.

Eine besonders vorteilhafte Realisierung ergibt sich, wenn man F₁ = 2F₂ wählt.

Fig. 5 stellt für diesen Fall die Zeitdiagramme einiger Signale der Messanordnung dar. Die Darstellung zeigt von oben nach unten:

- das Ausgangssignal des Intensitäts-Taktgenerators 14 mit der Frequenz F₁,
- die Lichtintensität der Lichtquelle 1,
- das Ausgangssignal des Phasenschieber-Taktgenerators 12 mit der Frequenz F₂,
- die vom Steuerspannungsgenerator 11 erzeugte und am Phasenmodulator 10 anliegende Steuerspannung, wobei die in den Messphasen A bzw. B am Phasenmodulator 10 anliegende Steuerspannungen sind mit V_A bzw. V_B bezeichnet sind,
- den Polarisationszustand des Lichtes, das aus dem Phasenmodulator 10 aus- und in das Messobjekt 4 eintritt,
- die am Lichtempfänger 6 gemessene Intensität I_⟂ für den Fall, dass sich eine Probe im Strahlengang befindet (durchgezogene Linie) sowie für den Fall, dass sich keine Probe im Strahlengang befindet (unterbrochene Linie) und
- die am Lichtempfänger 7 gemessene Intensität I_||

Bei der Wahl der Zeitfunktionen für die Steuerfrequenzen F₁ und F₂ ist es besonders vorteilhaft, den Umschaltzeitpunkt der Steuerspannung für den Phasenmodulator in den AUS-Zustand der Lichtquelle zu legen, da dann die stets endliche Zeitdauer des Umschaltens der Phasenverschiebung in die Dunkelphase fällt und somit nicht zur Verfälschung des Messergebnisses beitragen kann.

Wie aus den Zeitdiagrammen zu sehen ist, liefert die Lock-in-Detektion der Ausgangssignale der Lichtempfängern 6 und 7 mit der Referenzfrequenz F₁ erfindungsgemäß die arithmetischen Mittelwerte der Meßsignale S_⟂ und S_|| aus den Zeitabschnitten A und B, wie sie für die Normierung der Intensitätswerte benötigt werden. Die Detektion des Ausgangssignals des Lichtempfängers 6 mit der Referenzfrequenz F₂ liefert den Wert, ΔI_⟂.N, wobei N die Normierungskonstante darstellt.

Der Nullabgleich besteht in der Anordnung nach Fig. 4 darin, bei aus der Messanordnung entferntem Messobjekt eine der beiden Steuerspannungen V_A oder V_B gegenüber der für ein ideales System geltenden Bedingung V_B = -V_A geringfügig so zu verändern, bis das Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers 13 einen Mittelwert ΔI_⟂ liefert, der hinreichend nahe bei Null liegt.

In der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform gestaltet sich die Kalibrierung der Messempfindlichkeit besonders einfach. Bei aus dem Strahlengang entferntem Messobjekt 4 (Γ = 0) wird aus den Ausgangssignalen des Lock-in-Detektors 16 die Größe K' = I_⟂/(I_⟂ + I_||) gebildet, für die wegen Γ = 0 unmittelbar K' = sin²Λsin²2ρ gilt. In der Ausführungsform nach Fig. 4 ist ρ = 45°, so dass der vorstehend eingeführte Wert K = sin2Λ sin2ρ = sin2Λ leicht aus K' = sin²Λ bestimmt werden kann.

Die Fig. 6 verdeutlicht die Möglichkeit, die genannte erfinderische Lösung als Reflexionsanordnung zu realisieren, wozu ein zusätzlicher Strahlteiler 19 in Gestalt eines halbdurchlässigen Spiegels 19 eingeführt wird. Dieser lenkt das elliptisch polarisierte Licht auf das Messobjekt 4. Der von dort reflektierte Anteil der Intensität gelangt dann erneut durch den halbdurchlässigen Spiegel 19 in den als Analysator wirkenden Polarisationsteiler 5. Die optische Phasenmodulation wie auch die Signalgewinnung erfolgt dabei analog zu Fig. 4.

Claims

1. Verfahren zur spannungsoptischen Analyse, bei dem auf das zu untersuchende Objekt ein einfallender Strahl polarisierten Lichtes gerichtet wird und ein das Objekt wieder verlassendes Lichtbündel in zwei bezüglich der Polarisationsrichtung aufeinander senkrecht stehenden Detektionskanälen analysiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass
der einfallende Strahl elliptisch polarisiert wird, wobei die elliptische Polarisation mit einer Ellipsenform erfolgt, die ein vergleichsweise großes Verhältnis von großer zu kleiner Hauptachse aufweist,
der Drehsinn der elliptischen Polarisation des einfallenden Strahls periodisch geändert wird, wobei zwei alternative Zustände des Drehsinns für je einen Messvorgang verwendet werden,
die aufeinander senkrecht stehenden Detektionskanäle entsprechend der Lage der Hauptachsen der Ellipse eingestellt werden und
die Differenz von zwei zeitlich nacheinander erfolgenden Intensitätsmessungen mit gleicher Strahlungsintensität des einfallenden Strahls sowie gleichem Hauptachsenverhältnis, jedoch entgegengesetztem Drehsinn der elliptischen Polarisation aus einem der Detektionskanäle, dessen Analysatorrichtung zur Richtung der kleinen Hauptachse der elliptischen Polarisation ausgerichtet ist, gebildet wird, wobei die Differenz durch Summenbildung aus beiden Detektionskanälen normiert wird und die so erhaltene Differenz ein Maß für die Phasendifferenz von ordentlichem und außerordentlichem Strahl infolge von Spannungszuständen im Objekt darstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elliptische Polarisation erzeugt wird, indem der auf das Objekt einfallende Strahl linear polarisiert wird, wobei dessen lineare Polarisation zu den beiden Detektionskanälen einerseits parallel und andererseits senkrecht ausgerichtet ist, und eine doppelbrechende Phasenverzögerungsplatte passiert, wobei das Hauptachsenverhältnis und der Drehsinn der elliptischen Polarisation durch die gegenseitige Ausrichtung der räumlichen Lage der linearen Polarisation zu den Hauptachsen der Phasenverzögerungsplatte eingestellt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei den zur Differenzbildung herangezogenen Messungen die Winkellage der schnellen Hauptachse der Verzögerungsplatte derart verändert wird, dass sich der Drehsinn der elliptischen Polarisation bei unverändertem Betrag des Hauptachsen verhältnisses der elliptischen Polarisation umkehrt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elliptische Polarisation erzeugt wird, indem der einfallende Strahl vor dem Objekt linear polarisiert wird und einen steuerbaren Phasenmodulator passiert, wobei das Hauptachsenverhältnis und der Drehsinn der elliptischen Polarisation durch Steuersignale des Phasenmodulators eingestellt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale des Phasenmodulators periodisch so moduliert werden, dass eine elliptische Polarisation mit periodisch wechselndem Drehsinn entsteht, und die Differenzbildung aufeinanderfolgender Messungen durch einen Lock-in-Detektor erfolgt, der mit dem Steuersignal des Phasenmodulators synchron getaktet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der auf das Objekt einfallende Strahl linear polarisiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der auf das Objekt einfallende Strahl in seiner Intensität moduliert wird und die Messwerte mittels eines Lock-in-Detektors erfasst werden.

8. Anordnung zur spannungsoptischen Analyse von Materialen auf Basis von Spannungsdoppelbrechung, bei der eine Lichtquelle zur Erzeugung eines polarisierten, auf ein zu untersuchendes Objekt einfallenden Strahls vorgesehen ist und ein Polarisationsteiler zur Aufteilung eines aus dem Objekt austretenden Lichtbündels auf zwei Lichtempfänger zur Detektion aufeinander senkrecht stehender Polarisationsrichtungen vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass
eine optische Einheit zur Erzeugung von elliptisch polarisiertem Licht mit einstellbarem Verhältnis der Hauptachsen der elliptischen Polarisation vor dem Objekt angeordnet ist, wobei der Drehsinn der elliptischen Polarisation bei gleichem Verhältnis der Hauptachsen entgegengesetzt einstellbar ist,
der als Analysator wirkende Polarisationsteiler für die aufeinander senkrecht stehenden Polarisationsrichtungen entsprechend der Lage der Hauptachsen der elliptischen Polarisation ausgerichtet ist,
eine elektronische Steuereinheit zum Synchronisieren und Zuordnen der Intensitätswerte der beiden Lichtempfänger zu den mittels der optischen Einheit eingestellten Zuständen elliptischer Polarisation vorhanden ist und
eine Verarbeitungseinheit zur Auswertung der Intensitätswerte der beiden Lichtempfänger für jeweils zwei zusammengehörige Zustände mit entgegengesetztem Drehsinn der elliptischen Polarisation vorhanden ist, wobei eine Differenzbildung der für zusammengehörige Zustände gemessenen Intensitätswerte des einen Lichtempfängers sowie eine Normierung dieser Differenz auf die Summe der Intensitätswerte beider Lichtempfänger für beide zusammengehörigen Zustände als Maß für die Phasendifferenz zwischen ordentlichem und außerordentlichem Strahl infolge eines Spannungszustandes im Objekt vorgesehen ist.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einheit zur Einstellung zweier Zustände entgegengesetzten Drehsinns der elliptischen Polarisation ein steuerbarer optischer Phasenschieber (Retarder) ist, der im optischen Lichtweg zwischen Lichtquelle und Objekt angeordnet ist.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einheit zur Einstellung zweier Zustände entgegengesetzten Drehsinns der elliptischen Polarisation ein mechanisch gesteuerter Retarder ist, wobei der Retarder eine änderbare Winkellage aufweist.

11. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einheit zur Einstellung zweier Zustände entgegengesetzten Drehsinns der elliptischen Polarisation ein elektronisch steuerbarer Phasenmodulator ist, wobei der Phasenmodulator eine wechselnde Phasenverzögerung aufweist.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einheit ein elektrooptischer Phasenmodulator ist, wobei die Phasenverzögerung durch Änderung der Steuerspannung oder des Steuerstroms einstellbar ist.

13. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einheit ein magnetooptischer Phasenmodulator ist, wobei die Phasenverzögerung durch Änderung der Steuerspannung oder des Steuerstroms einstellbar ist.