RU2474810C2 - Method of measuring polarisation state of light beam - Google Patents
Method of measuring polarisation state of light beam Download PDFInfo
- Publication number
- RU2474810C2 RU2474810C2 RU2011116732/28A RU2011116732A RU2474810C2 RU 2474810 C2 RU2474810 C2 RU 2474810C2 RU 2011116732/28 A RU2011116732/28 A RU 2011116732/28A RU 2011116732 A RU2011116732 A RU 2011116732A RU 2474810 C2 RU2474810 C2 RU 2474810C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- compensator
- rotated
- light beam
- linear polarizer
- compensators
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
Abstract
Description
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.The invention relates to techniques for optical-physical measurements, namely to ellipsometry and polarimetry, and can be used to measure the state of polarization of a light beam in a wide spectral range.
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 S0, S1, S2, S3, возможность работы в широком спектральном диапазоне, высокая скорость измерений, возможность использования детекторов различного типа.Measurement of the state of polarization of light after interaction with the studied object is the basis of such experimental techniques as polarimetry and ellipsometry. The desirable qualities of the polarimeter are: the ability to simultaneously measure all 4 Stokes parameters S 0 , S 1 , S 2 , S 3 , the ability to work in a wide spectral range, the high measurement speed, the ability to use detectors of various types.
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.A known method of measuring the state of polarization of a light beam (see US patent No. 7355708, IPC G01J, published 04/08/2008), comprising sequentially transmitting a light beam through a compensator rotating with an angular frequency ω and through a polarizer, measuring the intensity of a transmitted light beam and generating an output signal as functions of wavelength and time, and determination of the state of polarization of a light beam, characterized by 4 Stokes parameters, according to the Fourier analysis of the time dependence of the intensity of transmitted through the polarization torus light beam.
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.The main disadvantage of this method is the use of a single compensator and a phase plate as it, which leads to a significant limitation of the spectral range in which the method is applicable.
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.A device is known for measuring the state of polarization of a light beam (see US patent No. 6449043, IPC G01J 4/00, published September 10, 2002), including an optically series-connected compensator mounted for rotation at a constant angular velocity, a linear polarizer and a detector, the output of which connected to the processor, and means for rotating the compensator. As a compensator, a phase plate is used.
Основным недостатком известного устройства является использование единственного компенсатора и фазовой пластины в качестве него, что приводит к существенному ограничению спектрального диапазона работы устройства.The main disadvantage of the known device is the use of a single compensator and a phase plate as it, which leads to a significant limitation of the spectral range of the device.
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.A known method of measuring the state of polarization of a light beam (see US patent No. 6822738, IPC G01N 21/00, published 11/23/2004), including sequential transmission of the original light beam through the compensator and through a linear polarizer, measuring the intensity of the light transmitted through the linear polarizer from time to time and determining the state of polarization of the light beam, characterized by 4 Stokes parameters, according to the Fourier analysis of the time dependence of the intensity of the light beam transmitted through the linear polarizer. As a compensator, two or three successive phase plates are used, the fast axes of which make up a predetermined angle with each other, not equal to 0 ° and 90 °. The compensator rotates continuously at a constant angular velocity, while the linear polarizer remains stationary.
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.The main disadvantage of this method is the limited spectral range of measurements, as well as the need for additional calibration procedures for measuring values of drift with a change in the wavelength of light, the effective azimuthal angle of the compensator and the magnitude of its effective optical activity. An additional disadvantage of this method is the sharp dependence of the values introduced by the compensator phase shift, the effective azimuthal angle and effective optical activity at the ultraviolet edge of the used spectral range.
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.A device is known for measuring the state of polarization of a light beam (see US patent No. 6181421, IPC G01J 4/00, published January 30, 2001), including an optically series-connected compensator mounted for rotation at a constant angular velocity, a linear polarizer and a detector, the output of which connected to the processor, and means for rotating the compensator. As a compensator, a phase plate is used.
Основным недостатком известного устройства является использование единственного компенсатора и фазовой пластины в качестве него, что приводит к существенному ограничению спектрального диапазона работы устройства.The main disadvantage of the known device is the use of a single compensator and a phase plate as it, which leads to a significant limitation of the spectral range of the device.
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 ω1 компенсатор, через первый линейный поляризатор, вращающийся с угловой частотой ω2, отличной от ω1, 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.The closest set of essential features to the claimed method is a method of measuring the state of polarization of a light beam (see D.E. Aspnes, PSHauge, - J. Opt. Soc. Am. - Vol.66,
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.The disadvantage of this method is the significant limitation of the spectral range in the case of using a phase plate as a compensator and the need for special measures against beam deflection when using prisms of various designs and other compensators, the effect of which is based on introducing a phase shift upon reflection.
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 S1 и S2 входят только в виде произведений с множителем (1-cosδ). А параметр Стокса S3 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.For the prototype method, it can be shown that the dependence of the intensity of the light incident on the detector on the orientation of the fast axis of the compensator and the axes of the linear polarizers is described by an analytical expression containing the sum of the terms. The sum contains one constant term, independent of the orientation of the fast axes of the compensator and the first polarizer. All other terms, in addition to the cosines and sines of the angles that describe the orientations of the fast axis of the compensator and the axis of the linear polarizer, contain the product of one of the Stokes parameters by a factor depending on the phase shift δ introduced by the compensator. In particular, the Stokes parameters S 1 and S 2 are included only in the form of products with a factor of (1-cosδ). And the Stokes parameter S 3 is included only in the form of products with the factor sinδ. When using plane-parallel plates of optically anisotropic material as compensators, the dependence of δ on the energy of light quanta is close to linear (R. Azzam, N. Bashara. “Ellipsometry and polarized light.” M. Mir, 1981). Because of this, the spectral range in which the method is applicable is limited to regions in which the factors (1-cosδ) and sinδ simultaneously noticeably differ from zero.
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.Thus, the disadvantage of this method is the significant limitation of the spectral range in the case of using a phase plate as a compensator and the need for special measures against beam deflection when using prisms of various designs and other compensators, the effect of which is based on introducing a phase shift upon reflection.
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.The closest set of essential features to the claimed device is a device for measuring the state of polarization of the light beam (see D.E. Aspnes, PSHauge, - J. Opt. Soc. Am. - Vol.66,
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.Adding a second rotating optical element to the optical circuit increases the number of harmonics in the periodic time dependence of the signal intensity at the detector. By choosing the ratio of the angular frequencies of rotation of the compensator and the first polarizer, it is possible to achieve a difference in the frequencies of all harmonics of the angular dependence, and, therefore, to obtain additional information from the Fourier analysis of the angular dependence. In the case of the known device, the addition of a second rotating polarizer allows simultaneously with the state of polarization (4 Stokes parameters) to determine the phase shift introduced by the compensator, i.e. there is no need for an additional calibration procedure.
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.A disadvantage of the known device is the limitation of the spectral range in the case of using one or more phase plates as a compensator and the need to take special measures against beam deflection when using prisms of various designs and other compensators, the action of which is based on introducing a phase shift upon reflection.
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.The present invention is the creation of such a method of measuring the state of polarization of a light beam, characterized by 4 Stokes parameters, and devices for its implementation, which would have an extended operating spectral range.
Поставленная задача решается группой изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом.The problem is solved by a group of inventions, united by a single inventive concept.
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.In terms of the method, the task is solved by sequentially passing the initial light beam through the first compensator, through the second compensator and through the linear polarizer, measure the intensity of the light beam transmitted through the linear polarizer depending on the orientation of the fast axes of the first and second compensators at least in one position axis of the linear polarizer and determine the state of polarization of the light beam, characterized by 4 Stokes parameters, according to the Fourier analysis of the angular dependence of the intensity of the light beam transmitted through the linear polarizer.
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 ω1 первого компенсатора и угловая частота ω2 второго компенсатора удовлетворяет соотношению:The angular dependence of the intensity of the light beam transmitted through the linear polarizer can be determined when the first and second compensators are continuously rotated in one direction, while the angular frequency ω 1 of the first compensator and the angular frequency ω 2 of the second compensator satisfy the relation:
ω1≠ω2,,c-1.ω 1 ≠ ω 2 ,, c -1 .
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.The angular dependence of the intensity of a light beam transmitted through a linear polarizer can be determined when the first and second compensators rotate in the same direction step by step with a change in the relative orientation of their fast axes.
Угловую зависимость интенсивности прошедшего через линейный поляризатор светового луча можно определять, когда первый и второй компенсаторы непрерывно или пошагово вращают в противоположных направлениях.The angular dependence of the intensity of a light beam transmitted through a linear polarizer can be determined when the first and second compensators are continuously or stepwise rotated in opposite directions.
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.The angular dependence of the intensity of a light beam transmitted through a linear polarizer can be determined when the first and second compensators are rotated with angular acceleration with a change in the relative orientation of their fast axes.
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.The angular dependence of the intensity of a light beam transmitted through a linear polarizer can be determined when the first compensator is rotated with a constant angular frequency, and the second compensator is rotated with angular acceleration.
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.The angular dependence of the intensity of a light beam transmitted through a linear polarizer can be determined when the first compensator is rotated by angular acceleration, and the second compensator is rotated with a constant angular frequency.
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.The angular dependence of the intensity of a light beam transmitted through a linear polarizer can be determined when the first compensator is rotated with a constant angular frequency, and the second compensator is rotated in the same direction step by step.
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.The angular dependence of the intensity of a light beam transmitted through a linear polarizer can be determined when the first compensator is rotated with a constant angular frequency, and the second compensator is rotated stepwise in the opposite direction.
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.The angular dependence of the intensity of a light beam transmitted through a linear polarizer can be determined when the first compensator is rotated step by step, and the second compensator is rotated with a constant angular frequency in the opposite direction.
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.The angular dependence of the intensity of a light beam transmitted through a linear polarizer can be determined when the first compensator is rotated step by step, and the second compensator is rotated in the same direction with a constant angular frequency.
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.The angular dependence of the intensity of a light beam transmitted through a linear polarizer can be determined when the first compensator is rotated with angular acceleration, and the second compensator is rotated stepwise in the opposite direction.
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.The angular dependence of the intensity of the light beam transmitted through a linear polarizer can be determined when the first compensator is rotated with angular acceleration, and the second compensator is rotated in the same direction step by step.
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.The angular dependence of the intensity of the light beam transmitted through the linear polarizer can be determined when the first compensator is rotated step by step, and the second compensator is rotated with angular acceleration in the opposite direction.
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.The angular dependence of the intensity of the light beam transmitted through the linear polarizer can be determined when the first compensator is rotated step by step, and the second compensator is rotated with angular acceleration in the same direction.
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.In terms of the device, the task is solved in that the device for measuring the state of polarization of the light beam includes a optically connected first compensator installed with the possibility of continuous or stepwise rotation, a second compensator installed with the possibility of continuous or stepwise rotation coaxially with the first compensator, a linear polarizer with the ability step-by-step rotation, detector of an optical beam transmitted through a linear polarizer, processor, continuous or step-by-step means the first rotation of the first compensator, the means of continuous or incremental rotation of the second compensator and the means of incremental rotation of the linear polarizer. The detector output is connected to the processor input, the first processor output is connected to the input of the continuous or stepwise rotation means of the first compensator, the second processor output is connected to the input of the continuous or stepwise rotation means of the second compensator, the third processor output is connected to the input of the stepwise rotation means of the linear polarizer.
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, MgF2, СаСО3).The first and second expansion joints can be made of single plane-parallel plates from an optically anisotropic material or from a stack of at least two plane-parallel plates from an optically anisotropic material (for example, from crystalline quartz, MgF 2 , CaCO 3 ).
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.The linear polarizer can be made in the form of a linear polarizer, the action of which is based on the effect of linear dichroism, or in the form of a polarizing prism, the action of which is based on the birefringence effect (for example: Glan prism, Glan-Thompson prism, Glan-Taylor prism, Rochon prism, prism Wollaston), or in the form of a linear polarizer, the action of which is based on the effect of a change in polarization upon reflection and refraction of light.
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.In the detector, light can be converted into an electrical signal using several or one: a single-channel photoelectronic multiplier, a multi-channel photoelectronic multiplier, a photodiode, a position-sensitive photodiode, an avalanche photodiode, a multi-channel avalanche photodiode, a one-dimensional array of photodiodes, a two-dimensional array of photodiodes, photo-resistance, position-sensitive photo resistors, arrays or arrays of sensors such as a charge coupled device (CCD), arrays or arrays of sensors a metal-oxide-semiconductor (MOS), ruler or microbolometer array.
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.In the detector, before converting light into an electrical signal, the following can be performed: decomposition of light into a spectrum using a prism or diffraction grating, separation of the light flux into two or more parts, transmission of the light flux through optical waveguides, focusing of light rays, filtering the spectral composition of light rays, reflection light rays.
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 S1 и S2 входят только в виде произведений с множителями:In the present invention, the problem is solved by replacing the first rotating linear polarizer used in the prototype method with a rotating compensator. It can be shown that with such a replacement, the dependence of the intensity of the light incident on the detector on the orientation of the fast axes of the compensators is described by an analytical expression containing the sum of the terms. The sum contains one constant term, independent of the orientation of the fast axes of the first and second compensators. All other terms, in addition to the cosines and sines of the angles describing the orientations of the fast axes of the first and second compensators, contain the product of one of the Stokes parameters by a factor depending on the phase shifts δ and Δ introduced by the first and second compensators, respectively. In particular, the Stokes parameters S 1 and S 2 are included only in the form of products with factors:
А параметр Стокса S3 входит только в виде произведений с множителями:And the Stokes parameter S 3 is included only in the form of products with factors:
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.Thus, the present method is applicable in the entire spectral range in which at least one of the factors (1) is noticeably different from zero, and, at the same time, at least one of the factors (2) is noticeably different from zero. Moreover, due to the choice of different terms containing the same Stokes parameters, but different factors from (1) and (2), it is possible to ensure the applicability of the present invention in a wider spectral range, compared with the applicability range of the prototype method.
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).When the first and second compensator rotate in the same direction, the angular frequencies should not be equal, because it can be shown that codirectional rotation with the same angular frequencies of two different compensators is equivalent to the rotation of one composite compensator and the known method for determining the polarization state (see US patent No. 6822738, IPC G01N 21/00, publ. 23.11.2004).
Настоящее изобретение поясняется чертежом, где:The present invention is illustrated in the drawing, where:
на фиг.1 схематически показано в аксонометрии устройство для измерения состояния поляризации светового луча;figure 1 is a schematic perspective view of a device for measuring the state of polarization of a light beam;
на фиг.2 схематически приведена блок-схема устройства;figure 2 schematically shows a block diagram of a device;
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;Fig. 3 shows the spectral dependence of the factors according to (1), included in the expression for the angular dependence of intensity, for the case of using phase plates as the first and second compensators, plane-parallel plates of optically anisotropic MgF2 with thicknesses of 8.391 μm and 12.929 μm, respectively. Such phase plates act as quarter-wave phase plates of zero order at light wavelengths of 405 nm and 610 nm;
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.Fig. 4 shows the spectral dependence of the factors according to (2), which are included in the expression for the angular dependence of intensity, for the case of using the same phase transitions from MgF2 with thicknesses of 8.391 μm and 12.929 μm as the first and second compensators.
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 ω1 или с возможностью пошагового вращения, второй компенсатор 2, установленный с возможностью непрерывного вращения с угловой частотой ω2 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.A device for measuring the state of polarization of a light beam includes (see FIG. 1 and FIG. 2) a
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.A method of measuring the state of polarization of a light beam is as follows. The light beam is first passed through the
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 ω1 с помощью средства 6 непрерывного или пошагового вращения, управляемого сигналами, поступающими из процессора 5, и, одновременно, непрерывного вращения второго компенсатора 2 с угловой частотой ω2, отличной от ω1, 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.The dependence of the intensity of the light beam transmitted through the
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 ω1 и второго компенсатора ω2 может быть любым, включая равенство величин угловых частот. При вращении компенсаторов 1 и 2 в одном направлении угловые частоты компенсаторов не должны быть равны ω1≠ω2,c-1. 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:Let for each photon energy E (eV),
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.):When
где Е - энергия фотонов, эВ; D1 и D2 - толщины фазовых пластин, мкм, используемых в компенсаторе 1 и в компенсаторов 2, соответственно; n0(Е) и nе(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 D1 и D2 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 MgF2 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).where E is the photon energy, eV; D 1 and D 2 - the thickness of the phase plates, μm, used in the
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.The main advantages of the present invention are: (1) the ability to measure all 4 Stokes parameters in a wide spectral range of 0.5-9.2 eV; (2) the possibility of self-calibration (simultaneously with the measurement of all 4 Stokes parameters, phase shifts introduced by compensators and corrections to the scales of their azimuthal angles can be determined); (3) compatibility with various types of detectors.
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011116732/28A RU2474810C2 (en) | 2011-04-27 | 2011-04-27 | Method of measuring polarisation state of light beam |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011116732/28A RU2474810C2 (en) | 2011-04-27 | 2011-04-27 | Method of measuring polarisation state of light beam |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011116732A RU2011116732A (en) | 2012-11-10 |
| RU2474810C2 true RU2474810C2 (en) | 2013-02-10 |
Family
ID=47321807
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011116732/28A RU2474810C2 (en) | 2011-04-27 | 2011-04-27 | Method of measuring polarisation state of light beam |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2474810C2 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU640137A1 (en) * | 1975-01-03 | 1978-12-30 | Предприятие П/Я В-8117 | Automatic meter of optical range radiation polarization parameters |
| US5191387A (en) * | 1990-01-10 | 1993-03-02 | Ando Electric Co., Ltd. | Polarization control system |
| US6449043B2 (en) * | 1996-07-24 | 2002-09-10 | Therma-Wave, Inc. | Broadband spectroscopic rotating compensator ellipsometer |
| JP2007232550A (en) * | 2006-02-28 | 2007-09-13 | Tokyo Univ Of Agriculture & Technology | Optical characteristic measuring apparatus and optical characteristic measuring method |
| US7355708B2 (en) * | 2004-05-06 | 2008-04-08 | Kla-Tencor Corporation | Normal incidence rotating compensator ellipsometer |
-
2011
- 2011-04-27 RU RU2011116732/28A patent/RU2474810C2/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU640137A1 (en) * | 1975-01-03 | 1978-12-30 | Предприятие П/Я В-8117 | Automatic meter of optical range radiation polarization parameters |
| US5191387A (en) * | 1990-01-10 | 1993-03-02 | Ando Electric Co., Ltd. | Polarization control system |
| US6449043B2 (en) * | 1996-07-24 | 2002-09-10 | Therma-Wave, Inc. | Broadband spectroscopic rotating compensator ellipsometer |
| US6831743B2 (en) * | 1996-07-24 | 2004-12-14 | Therma-Wave, Inc. | Broadband spectroscopic rotating compensator ellipsometer |
| US7355708B2 (en) * | 2004-05-06 | 2008-04-08 | Kla-Tencor Corporation | Normal incidence rotating compensator ellipsometer |
| JP2007232550A (en) * | 2006-02-28 | 2007-09-13 | Tokyo Univ Of Agriculture & Technology | Optical characteristic measuring apparatus and optical characteristic measuring method |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| D.E.ASPNES, P.S.HAUGE. Rotating-compensator/analyser fixed-analyzer ellipsometer: Analysis and comparision to other automatic ellipsometers. J. Opt. Soc. Am., v.66, No 9, September 1976, 949-954. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2011116732A (en) | 2012-11-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Hauge | Mueller matrix ellipsometry with imperfect compensators | |
| Snik et al. | Spectral modulation for full linear polarimetry | |
| CN110631806A (en) | A device and method for quickly measuring the phase delay of a wideband wave plate | |
| US7889339B1 (en) | Complementary waveplate rotating compensator ellipsometer | |
| US4589776A (en) | Method and apparatus for measuring optical properties of materials | |
| US8542357B2 (en) | Method and device for measuring circular dichroism spectra | |
| US11493433B2 (en) | Normal incidence ellipsometer and method for measuring optical properties of sample by using same | |
| CN102426058B (en) | A static interference imaging polarimeter and a method for obtaining polarization information of a target | |
| Bian et al. | Mueller matrix ellipsometer based on discrete-angle rotating Fresnel rhomb compensators | |
| CN104568765A (en) | Miniature spectroscopic ellipsometer device and measuring method | |
| US6181421B1 (en) | Ellipsometer and polarimeter with zero-order plate compensator | |
| CN109990736B (en) | Method and device for measuring roll angle based on Stokes vector | |
| CN103954435B (en) | Device and the detection method thereof of a kind of detected phase delay and Polarization Dependent Loss | |
| JP2022504731A (en) | Snapshot ellipsometer | |
| CN103017908A (en) | Polarized light characteristic real-time measuring device and method based on four-way light splitting module | |
| TWI615604B (en) | Calibration method for wide-band achromatic composite wave plate | |
| CN103196658A (en) | Method and device for measuring phase delay spectral characteristic of wave plate | |
| CN110631805A (en) | A device and method for measuring performance of wide-band wave plate using AOTF monochromatic light | |
| Negara et al. | Simplified Stokes polarimeter based on division-of-amplitude | |
| Krishnan et al. | Mueller-matrix ellipsometry using the division-of-amplitude photopolarimeter: a study of depolarization effects | |
| EP2669658B1 (en) | Surface plasmon sensor and refractive index measurement method | |
| JP2000509830A (en) | Rotation compensator-type spectroscopic ellipsometer system with regression calibration with photoarray detector | |
| CN113654996A (en) | Device and method for measuring phase retardation of composite achromatic wave plate | |
| RU2474810C2 (en) | Method of measuring polarisation state of light beam | |
| CN101539512A (en) | Double refraction detection device and double refraction detection method |