Способ определения состояния поляризации объектной волны Советский патент 1984 года по МПК G03H1/04 G01B9/21 

Изобретеггие относится к области голографической интерферометрии и может быть использовано для контрол характеристик объектов по значению поляризационных параметров объектно волны. Известен способ определения пара метров поляризации световой волны фотометрическим эллипсометром в сис теме: поляризатор - объект - анализатор Cl 1, основанный на следующем. Регистрируемый сигнал D является функцией азимутальных углов поляризатора Р п анализатора А и може быть выражен через параметр поляризации исследуемого объекта следующим образом: Л(р,Л)р 1-соз2Ц{со52А -со52Р)- -со52Д COS2P+Sin2VcOS4 Sin2AsihZPj , f-f) измеряемый свет вой потоку коэффициент.свя занный с интенсивностью источ ника света,чувствительностьюи пропусканием оптических элементов;М rarct определяют отно шение амплитуд исследуемого объекта вдоль и V поляризаций-, (2) 4 сЛх-о у - фазовый сдвиг между ортогональными компонентами электри ческого вектора исследуемого объекта-, азимут анализатора V азимут поляризатора. Задавая три различных ориентации поляризатора и анализатора и подставляя их в уравнение (1), получаю три уравнения для FjjtV и Л- Разделив два из этих уравнений на третье, исключают f и получают два уравиения, которые можно разрешить относительно эллипсометрических параметров и Л. Таким образом, для определения состояния поляризации необходимо измерить 3 значения 252 интенсивности и 6 значений азимутальных углов анализатора и поляризатора. К недостаткам способа классической эллипсометрии относятся: необходимость проведения большого числа измерений, что определяет низкзпо скорость определения состояния поляризации объектной волны наличие погрешностей в установке поляризатора и анализатора, приводящие к искажению результатов измерения;жесткие требования к колимации светового пучка; исключение возможности апостериорных измерений состояния поляризации объектной волны; невозможность определения параметров поляризации в реальном времени одновременно по всей площади объектной волны. Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу является способ определения состояния поляризации объектной волны, включающий регистрацию и восстановление с помощью линейно поляризованной опорной волны. Согласно этому способу объектная . волна регистрируется с помощью двух ортогонально поляризованных и разнесенных в пространстве опорных пучков. На этапе восстановления голограмма освещается двумя восстанавливающими пучками, аналогичными опорным в момент записи. При вьтолнении условий правильной записи и восстановления поляризационных характеристик объектной волны восстановленная объектная волна сохраняет состояние поляризации регистрируемой объектной волны. Апостериорное определение состояния поляризации восстановленной объектной волны фотометрическим эллипсометром позволяет исключить флуктуации состояния поляризации объектной волны в процессе измерения и тем самым снизить ошибки измерения С2.1Недостатками прототипа являются низкая скорость измерений параметров поляризации объектной волны, связанная с необходимостью при апостериорных измерениях пользоваться методами классической эллипсометрии, не позволяющих одновременно определят параметры поляризации во всех точках по всей площади объектной волны; 3 невозможность производить непоср ственное сравнение состояний поляри зации объектных волн, существовавши в разные моменты времени, что приво дит к увеличению времени измерений параметров поляризации объектной во ны. Целью изобретения является повыш ние скорости определения параметров поляризации при изменении состояния поляризаций объектной волны. Это достигается тем, что согласно предложенному способу определения состояния поляризации объектной волны, включающему регистрацию и восстановление объектной волны с помощью линейно поляризованной опорной волны, поочередно восстанав ливают исходную объектную волну ортогонально линейно поляризованными опорньо4И волнами, получают голографические интерферограммы путем сложения восстановленных волн с измене ной объектной волной, по значениям интенсивности в максимуме и минимуме интерференционных полос определяют амплитуды ортогональных компонентов измененной объектной волны, а по смещению интерференционных полос определяют разность фазовых постоянных ортогональных компоненто этой волны. Рассмотрим процесс образования голографической интерферограммы в векторной форме. Пусть объектный пучок с известным состоянием поляри зации, распространяющийся в системе координат XY2 вдоль оси 2 описыва ется уравнением .Г. ..,-...} o5. j6,e (-.) г 1 Л-, 01 Д. 1 характеризует изменение фазы объект ной волны вдоль направления распрос ранения i об -1 S oS 1 фазовые постоянные между горизонтальной и верти- . кальной компонентами объектной волны; |В - амплитуды горизонтальной и вертикальной компонент объект ной волны-, T,J - единичные орты осей X и Y системы координат OXY2. Регистрация объектного поля комплексных амплитуд на поверхности голограммы производится линейно поляризованной опорной волной (3) 25 ,.оп) пг, 1С. оп (4| Распределение интенсивности в плоскости голограммы, соответствующее интерференции объектной и опорной волн, определяется следующим-выражением: 1 ч. 1 9 . (S) Производят обработку голограммы до коэффициента контрастности -2. При этом ее амплитудное пропускание пропорционально интенсивности I. На этапе восстановления в качестве восстанавливающих пучков поочередно используют пучки с ортогональной линейной поляризацией, сохраняющие направление распространения опорного пучка в момент регистрации голограммы J,) восстх H one- von сх on с голограммы поочередно восстановятся ортогонально поляризованные волны, несущие информацию о состоянии поляризации исходной объектной волны с известным состоянием поляризации - , , .ГА rtH 1 . Х05.-1 ХО) Каждая восстановленная волна, интерферируя в реальном времени с изменненной объектной волной о52 2 мве °. формирует голографическую интерферограмму, распределение интенсив ности в которых определяется следующими выражениями: (ix-.x)Ko5..i)(Von) (7) 2иН , X (f 2.) К.00- х ..-,,.,0.2 (оп. Измерив значение интенсивности в максимуме и минимуме интерференционных полос любой интерферогракмы, определяют соотношение амшш S туд ортогональных компонентов измененной объектной волны. Для случая определения ортогоE off.z ° нальных компонентов терферограмме 3 и выражение будет иметь вид - мо1кс - /мин f3 -3 у макс. |8р.-J мйкс. мин Смещение координат максимума (или минимума) интенсивности интер ференционной полосы при переходе о одной интерферограммы к другой в результате поочередного использования восстанавливающих пучков ( Е восет. X «ли восст. ) пропорци нально разности фазовых постоянных ортогональных компонентов измененной объектнэй волны Е может быть определено для каждого метода голографической интерферометрии. Общая формула для разности фазо вых постоянных ортогональных компонент о52 I справедливая для все методов голографической интерферометрии определяется из выражений (7), (8) в случае вычисления разности фаз в одной и той же интерфе ренционной полосе: -tx-V XoE2- Xo6r-V 2/ xon- xo6 ,оп.о52 2j7 - / 2 - 1. ,. F 12- Vir v(Ax-2)-A7 2 1 Ui i i/ h (r - 1V Д 1/ Я 1 (/ -M- Wh -r гЬ 2 Подставляя в формулу (10) выраж ние для -1,2y f, z получают результирующее вьфйжение для разности фазовых постоянных ортого нальных компонентов o5r°vo6.--0:(V-Ax)(/l4 . А. л, (л - смещение координа где Гд,, - г максимумов интерф ренционных полос на поверхности ло кализации-, .: - изменение направл ния объектного лу и изменение длины волны, приводящие формированию голографической интерферограммы. Таким образом, измеряя соотношения амплитуд по значениям интенсивности в максимуме и минимуме интерерограммы и разность фазовых постоянных по смещению интерференционных полос при переходе от одной интерферограммы к другой, определяют новую ориентацию эллипса поляризации после изменения состояния поляризации объектной волны. Следовательно, для определения состояния поляризации измененной объектной волны необходимо произвести три измерения. Использование на этапе регистрации голограммы двух линейно ортогонально поляризованных и пространственно разнесенных опорных пучков позволяет реализовать описанный способ по методу двух экспозиций. Для этого на голограмме поочередно регистрируются с помощью двух линейно ортогонально поляризованных и пространственно разнесенньпс опорных пучков объектные волны: исходная волна с известным состоянием поляризации и волна, изменившая после первой экспозиции состояние поляризации. Восстановление производится также поочередно восстанавливающими пучками, аналогичными опорным. В этом случае соотношение амплитуд можно определить через значение контраста К каждой интерферогра « 1 . . . 2 S,K,(1--(1-K,J а разность ортогональных компонентов измененной объектной волны определится выражением -А -л 2JT (.ЛxV /;,. хо52 о5.2 7Г xoS-i .i Реализация способа определения состояния полиризации по методу двух экспозиций позволяет апостериорно определять состояние поляризации и .изменение состояния поляризации объектной волны, повысить воспроизводимость результатов, Согласно предлагаемому способу в плоскости голограммы вначале регистрируют исходную объектную волну с помощью линейно поляризованной 1 опорной волны, обрабатывают голограмму таким образом, чтобы ее амплитудное пропускание бьшо пропорционально интенсивности I , осв щают голограмму поочередно двумя ортогонально поляризованными восста навливающими волнами, сохраняющими направление распространения опорно волны в момент регистрации гологра мы, при этом поочередно получают интерферограммы, соответствующие интерференции восстановленных ортогонально поляризованных объект ных волн с измененной объектной во ной, идущей через голограмму в реальном времени, измеряя значение интенсивности в максимуме и миниму интерференционной полосы одной интерферограммы и смещение интерференционных полос при переходе от одной интерферограммы к другой, определяют параметры поляризации измененной объектной волны по срав нению с исходной. На чертеже изображена принципиальная схема устройства, реализующего предлагаемый способ. Оно содержит лазер 1, например ЛГ-38 с длиной волны Л 632,8 нм. За лазером по ходу луча светоделитель 2, коллиматор 3, поворотное зеркало 4 и объект5, установленный перед голограммой 6, расположены последовательно в объектном пучке. Зеркало 7 установлено на одной прямой с лазером 1 и светоделителем за светоделителем 2, Зеркало 8, кол лиматор 9, поляризационный блок, состоящий из поляризатора 10, пластинки -- 11 -и анализатора 12, 4 расположены последовательно на одно прямой перед голограммой 6. За голо граммой устанавливается объектив 13, в предметной плоскости которого находится приемное устройство 14, например, на основе ФЭУ, размещено на столике, перемещакицемся по трем координатам. Устройство работает следующим образом. Луч от лазера 1 падает на светоделитель 2, который формирует объек ный и опррный пучки. Объектный пучо расширяется коллиматором 3 и с помощью поворотного зеркала освещает объект 5.Отраженный от объекта 5 во новой фронт падает на голограмму 6 Прошедший через светоделитель луч и меняет свое направление с помощью 25° зеркал 7 н 8, расширяется коллиматором 9, проходя через поляризатор 10 и пластинку - 11, становится циркулярно поляризован. Вращением анализатора 12 добиваются либо вертикальной, либо горизонтальной поляризации выходящего опорного пучка. С помощью, например, горизонтально поляризованного опорного пучка регистрируют объектный пучок на голограмме 6. Обрабатывают голограмму на месте экспонирования до коэффициента контрактности у -2. Поочередно освещают голограмму восстанав::ивающими ортогонально линейно поляризованными пучками, формируемыми как указано анализатором 12 и распространяющимися в направлении опорного пучка Е - Если объект после первой экспозиции не деформируется смещается, а изменяет лишь состояние поляризации, то изменяют направление освещающего объект 5 пучка поворотом зеркала 4. В реальном времени поочередно получают голографические интерферограммы, соответствующие интерференции поочередно восстановленных объектньк волн ортогональных поляризаций с измененной объектной волной. По одной из интерферограмм определяют с помощью приемного устройства 14 на основе ФЭУ интенсивности в максимуме и минимуме интерференционной полосы. При переходе от одной интерферограммы к другой, перемещая ФЭУ в пределах одной интерференционной полосы, определяют смещение координаты максимума полосы, соответствующее разносности фазовых постоянных ортогональных компонент измененной объектной волны. Экспериментально полученные значения интенсивности в максимуме и минимуме интерференционной полосы и смещение координаты максимума яркости интерференционной полосы позволяют определить эллипсометрические параметры: соотношение амплитуд - и разность фазовых постоянных 2 ( Хоб: I измененной объектной волны по формулам (9) и (11), т.е. эллипс поляризации по отношению к исходному. Таким образом, определение параметров поляризации по интерферограмме позволяет сократить время измере. 9105362510

ния состояния поляризации объекта с ственно разнесенных пучков на этапе девяти измерений до трех, а исполь- регистрации и восстановления голозование двух опорных, ортогональных, грамм, позволяет повысить воспроизлинейно поляризованных и простран- водимость результатов.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ ОБЪЕКТНОЙ ВОЛНЫ, включающий регистрацию и восстановление объектной волны с помощью линейно поляризованной опорной волны, отличающийс я тем, что, с целью повьшения скорости определения параметров поляризации при изменении состояния поляризации объектной волны, поочередно восстанавливают исходную волну ортогональйо линейно поляризованными опорными волнами, получают голографические интерферограммы путем сложения восстановленных волн с измененной объектной волной, по значениям интенсивности в максимуме и минимуме интерференционньгх полос определяют амплитуды ортогональных компонентов измененной объектной волны, а по смещению интерференционных полос определяют разность фазовых постоянных ортогональных компонентов зтой волны. ел