Способ определения состояния поляризации объектной волны

,БО 1053625 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(46) 30,05.84. Бюл. В 20 (72) Т.А. Ильинская и В.Л. Казак (7 1) Ленинградский ордена Трудового Красного Знамени институт точной механики и оптики(56) 1. Адзан Р., Башара Н. Зллипсометрия и поляризованный свет, М., Мир., 1981, с. 295.2. Дерюсин И.А. и др. Исследование поляризационных характеристик объектов голографическими способами. Проблемы голографии, вып. 2, 1973, с. 227 (прототип).(54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ ОБЬЕКТНОЙ ВОЛНЫ, включающий регистрацию и восстановление объектной волны с помощью лиЗ 51) С 03 Н 1/04 С 01 В 9 021 нейно поляризованной опорной волны,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повышения скорости определения параметров поляризации приизменении состояния поляризацииобъектной волны, поочередно восстанавливают исходную волну ортогонально линейно поляризованными опорнымиволнами, получают голографическиеинтерферограммы путем сложениявосстановленных волн с измененнойобъектной волной, по значениям интенсивности в максимуме и минимумеинтерференционных полос определяютамплитуды ортогональных компонентовизмененной объектной волны, а посмещению интерференционных полосопределяют разность фазовых постоянных ортогональных компонентов этойволны.Изобретение относится к области голографической интерферометрии и может быть использовано для контроля характеристик объектов по значению поляризационных параметров объектной волны.Известен способ определения параметров поляризации световой волны фотометрическим эллипсометром в системе: поляризатор - объект - анализатор1 3, основанный на следующем. Регистрируемый сигнал 3 является функцией азимутальных углов поляризатора Р и анализатора А и может быть выражен через параметр поляризации исследуемого объекта следующим образом: ЭР,А=Р 7-соз 29(соз 2 А+со 52 Р+ соэ 2 АхсозгР.э)огУсоэ) 51 огАэъгР, Р) 2 О Э - измеряемый световой поток,)= - коэффициент,свя 1 занный с интенгде сивностью источника света,чув- ствительностью и пропусканиемоптических эле- ЗОментов;М: ас 1 - определяют отноУ) шение амплитудисследуемогообъекта Вдоль 1 35иполяризаций; (2)Л:с х -с/3 - фазовый сдвигмежду ортогональными компонентами электрического вектораисследуемогообъекта,А - азимут анализа 45тора",Р - азимут поляризатора,Задавая три различных ориентацииполяризатора и анализатора и подставляя их в уравнение (1), получаюттри уравнения для РФ и Д, Разделив два из этих уравнений натретье, исключают 1 и получают двауравнения, которые можно разрешитьотносительно эллипсометрических параметров М и о, Таким образом,для определения состояния поляризации необходимо измерить 3 значения 625 2интенсивности и 6 значений азнмутальных углов анализатора и поляризатора.К недостаткам способа классической эллипсометрии относятся;необходимость проведения большогочисла измерений, что определяетнизкую скорость определения состояния поляризации объектной волны;наличие погрешностей в установкеполяризатора и анализатора, приводящие к искажению результатов измерения;Мжесткие требования к колимациисветового пучка;исключение возможности апостериорных измерений состояния поляризации объектной волны;невозможность определения параметров поляризации в реальном времени одновременно по всей площадиобъектной волны,Наиболее близким по техническойсущности к предложенному способуявляется способопределения состояния поляризации объектной волны,включающий регистрацию и восстановление с помощью линейно поляризованной опорной волны.Согласно этому способу объектная,волна регистрируется с помощью двухортогонально поляризованных и разнесенных в пространстве опорных пучков.На этапе восстановпения голограммаосвещается двумя восстанавливающимипучками, аналогичными опорным в момент записи, При выполнении условийправильной записи и восстановленияполяриэационных характеристик объектной волны восстановленная объектнаяволна 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 Ю.Недостатками прототипа являются низкая скорость измерений параметров поляризации объектной волны, связанная с необходимостью при апостериорных измерениях пользоваться методами классической эллипсометрии, не позволяющих одновременно определять параметры поляризации во всех точках по всей площади объектной волны;3 10536невозможность производить непосредственное сравнение состояний поляризации объектных волн, существовавшихв разные моменты времени, что приводит к увеличению времени измеренийпараметров поляризации объектной волны.Целью изобретения является повьппение скорости определения параметровполяризации при изменении состоянияполяризаций объектной волны.Это достигается тем, что согласно предложенному способу определения состояния поляризации объектнойволны, включающему регистрацию и15восстановление объектной волны спомощью линейно поляризованнойопорной волны, поочередно восстанавливают исходную объектную волну ортогонально линейно поляризованнымиопорными волнами, получают голографические интерферограммы путем сложения восстановленных волн с изменен"ной объектной волной, по значенияминтенсивности в максимуме и минимуме интерференционных полос определяют амплитуды ортогональных компонентов измененной объектной волны, а по смещению интерференционныхполос определяют разность фазовых постоянных ортогональных компонентов этой волны,Рассмотрим процесс образования голографической интерферограммы в векторной Форме Пусть объектный пучок с известным состоянием поляри- З 5зации, распространяющийся в системе координат Мт 2 вдоль оси 2 описывается уравнением( 1 кхоб.1)(уолл)Е :14 е+)Ве, (З) ао1 Л 1 01 1 Л и Ло 1 характеризует изменение фазы объект- ной волны вдоль направления распространениях б 1а у об 1 - фазовые постоянхоб 1ные между горизонтальной и верти- . кальной компонентами объектной вол 20 формирует голографическую интерферограмму, распределение интенсив ности в которых определяется следующими выражениями: 55 Измерив значение интенсивностив максимуме и минимуме интерференционных полос любой интерферограммы, определяют соотношение амплины;В,В - амплитуды горизонталь ной и вертикальной компонент объектной волны;1, 1 - единичные орты осейи т системы координат 0)У 2,Регистрация объектного поля комплексных амплитуд на поверхности голограммы производится линейно поляризованной опорной волной 25 4ф( оп х,оп )ф)Распределение интенсивности в плоскости голограммы, соответствующее интерференции объектной и опорной волк, определяется следующим выражением:2( об 1 оптПроизводят обработку голограммы до коэффициента контрастности ) = -2, При этом ее амплитудное пропускание пропорционально интенсивности 1, На этапе восстановления в качестве восстанавливающих пучков поочередно используют пучки с ортогональной линейной поляризацией, сохраняющие направление распро" странения опорного пучка в момент регистрации голограммыпосст хаоп (ь)1 ( оп в оУ оп ). еоссту 1 аопС голограммы поочередно восстановятся ортогонально поляризованные волны, несущие информацию о состоянии поляризации исходной объектной волны с известным состсянием поляризацииЕ:1 М еВх-"хоб )хмн( хфх,оп Хоб, уоп)Еуюн ЗД 1 е Каждая восстановленная волна,интерферируя в реальном временис изменненной объектной волнойЛ2 Х о х об.2) ". (Ьу уоб 2)Е о:1 А е " +8 е Э - Е +Е=Я Ь +А 2+2 АЯ соэхх 2 ихан об 21 2 21 гтуд ортогональных компонентов измененной объектной волны,Для случая определения ортогональных компонентов Г,г по интерферограмме 3и вйражениел губудет иметь видА мокс мин 40 1 У 8 оБ 2 3 -3мас, мин ь 21 МбКС, МИН/ ДЯ М 30Смещение координат максимума (или минимума) интенсивности интерференционной полосы при переходе от одной интерферограммы к другой в15 результате поочередного использования восстанавливающих пучковс в или Е восст ) пропорционально разности фазовых постоянных ортогональных компонентов изменен 20 ной объектной волны Еи может быть определено для каждого метода голографической интерферометрии.Общая формула для разности фазовых постоянных ортогональных комФ 25 понент Е, справедливая для всех методов голографической интерферометрии,определяется из выражений (7), (8) в случае вычисления разности фаз в одной и той же интерференционной полосе: Ч -+ц" -а =У -у о -с 1 х 2 х хо 62 хобУ гУ хол хоб 1 Уол ЧоБ 2(о2 л-(-ф ф 2 где- и - у и35 1 х- о и 2 Р- - - гЗг+( -1 .Ь2 у 4 Ог 2лу г Д 2Подставляя в формулу (10) выражение для , Ч , т , Ч получают результирующее выражение для45 разности фазовых постоянных ортогональных компонентов схою 2 оо 2 В З м лх, 2 л 42 ф х ол у ол(111у 50 где г - .- смещение координат Му максимумов интерференционных полос на поверхности ло)ь .у кали з ации5 л л - 1 и - изменение направле 1 1 гния объектного луча и изменение длины волны, приводящие к формированию голографической интерФерограммы.Таким образом, измеряя соотношения амплитуд по значениям интенсивности в максимуме и минимуме интерферограммы 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 пространст" венно 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 разнесенных 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 интерферограммы4, д,к,(к2 ВК 1- 1-Ка разность ортогональных компонентов измененной объектной волны определится выражением ф о; Уоо,1Реализация 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 поляризованной7 10опорной волны, обрабатывают голограмму таким образом, чтобы ееамплитудное пропускание было пропорционально интенсивности 1, освещают голограмму поочередно двумяортогонально поляризованными восстанавливающими волнами, сохраняющиминаправление распространения опорнойволны в момент регистрации голограммы, при этом поочередно получаютинтерферограммы, соответствующиеинтерференции восстановленныхортогонально поляризованных объектных волн с измененной объектной волной, идущей через голограмму вреальном времени, измеряя значениеинтенсивности в максимуме и минимумеинтерференционной полосы однойинтерферограммы и смещение интерференционных полос при переходеот одной интерферограммы к другой,определяют параметры поляризацииизмененной объектной волны по сравнению с исходной.На чертеже изображена принципиальная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.Оно содержит лазер 1, напримерЛГс длиной волны й = 632,8 нм.За лазером по ходу луча светоделитель 2, коллиматор 3, поворотноезеркало 4 и объект 5, установленныйперед голограммой 6, расположеныпоследовательно в объектном пучке.Зеркало 7 установлено на однойпрямой с лазером 1 и светоделителемза светоделителем 2. Зеркало 8, коллиматор 9, поляризационный блок,состоящий из поляризатора 10,пластинки - 11 и анализатора 12,/Фрасположены последовательно на однойпрямой перед голограммой 6. За голограммой устанавливается объектив13, в предметной плоскости которогонаходится приемное устройство 14,например, на основе фЭУ, размещенона столике, перемещающемся по тремкоординатам.Устройство работает оледующимобразом.Луч от лазера 1 падает на светоделитель 2, который формирует объектный и опорный пучки. Объектный пучокрасширяется коллиматором 3 и с помощью поворотного зеркала освещаетобъект 5.Отраженный от объекта 5 волновой фронт падает на голограмму 6.Прошедший через светоделитель луч изменяет свое направление с помощью53625 5 0 15 20 25 ЗО 35 40 45 50 55 зеркал 7 и 8, расширяется коллиматором 9, проходя через поляризатор 10 и пластинку - 11, становитсяФциркулярно 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 козффициента контрактности= -2. Поочередно освещают голограмму восстанавливающими ортогонально линейнополяризованными пучками, формируемыми как указано анализатором 12 и распространяющимися в направлении опорного пучка Е д Если объект после первой экспозиции не деформируется и не смещается, а изменяет лишь состояние поляризации, то изменяют направление освещающего объект 5 пучка поворотом зеркала 4. В реальном времени поочередно получают голографические интерферограммы, соответствующие интерференциипоочередно восстановленных объектньссволн 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 В- и разность фазовых постоянных Вгизмененной объектнойюг уо .гволййпо формулам (9) и (11), т.е. новый эллипс поляризации по отношению к исходному.Таким образом, определение параметров поляризации по интерферограиме позволяет сократить время измере10 1053625 Редактор Л. Утехина Техред И.Метелева КорректоР С. Шекмар Заказ 3933/4 Тираж 464 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4 9ния состояния поляризации объекта с девяти измерений до трех, а использование двух опорных, ортогональных, линейно поляризованных и пространственно разнесенных пучков на этаперегистрации и восстановления голограмм, позволяет повысить воспроизводимость результатов.