Способ тестирования оптического компенсатора

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ТЕСТИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО КОМПЕНСАТОРА(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Автор Меркулов Владимир Сергеевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Способ тестирования оптического компенсатора посредством определения сдвига фаз между его главными волнами и отношения коэффициентов их пропускания, в котором с помощью поляризатора и вспомогательного образца формируют луч эллиптически поляризованного монохроматического света с углом эллиптичности, модуль которого заведомо меньше модуля определяемого сдвига фаз, направляют его сквозь тестируемый компенсатор на анализатор, затем измеряют в одной и той же системе координат азимуты компенсатора 1 и 2 и анализатора 1 и 2, соответствующие минимумам интенсивности прошедшего сквозь компенсатор света, и определяют искомые сдвиг фази отношение коэффициентов пропусканияв соответствии с математическими выражениями(1-2)1-(1-1)(2-2)(1-1)(2-2)-1/2(1-1)(2-2)-1/2. 17151 1 2013.06.30 Изобретение относится к способам измерения сдвига фаз и отношения коэффициентов пропускания главных волн оптического компенсатора путем регистрации изменения поляризации света. Область применения - контроль параметров компенсаторов при проведении поляризационно-оптических измерений и в эллипсометрии. Для анализа эллиптически поляризованного света используются такие приборы, как компенсаторы. Самым распространенным видом компенсатора является четвертьволновая пластинка, которая должна обеспечивать сдвиг фаз /2 между главными волнами, прошедшими через пластинку (стр. 637-638 в) 1. При изготовлении новых пластинок, а также при калибровке на различных длинах волн света необходимы способы контроля их параметров. Помимо измерения сдвига фаз необходимо контролировать и отношение коэффициентов пропускания главных волн, которое на практике может достигать 1,1. Простейшим способом измерения сдвига фаз и отношения коэффициентов пропускания главных волн является проведение измерений интенсивности прошедшего света в схеме поляризатор-компенсатор-анализатор. Главные направления компенсатора определяют путем его вращения между скрещенными поляризатором и анализатором, добиваясь минимума интенсивности прошедшего света. Затем, устанавливая поляризатор и анализатор параллельно каждому главному направлению, измеряют интенсивность на выходе и тем самым отношение коэффициентов пропускания. Устанавливая поляризатор под углом 45 к главному направлению, на выходе компенсатора получаем в общем случае эллиптически поляризованный свет. Вращая анализатор, проводят измерения максимального и минимального значений интенсивности света, на основании которых рассчитывают сдвиг фаз. Недостатком данного способа является большая погрешность измерений интенсивности, в связи с чем на практике трудно достигнуть точности измерений лучше чем 1 . Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является способ, описанный в 2, состоящий в том, что используется схема эллипсометриина прохождение поляризатор-калиброванный компенсаторисследуемый компенсатор-анализатор. Главные направления исследуемого компенсатора,который здесь выступает в качестве образца , определяют, как и в описанном выше аналоге. Затем азимут калиброванного компенсатора устанавливают под углом /4 к найденным главным направлениям и измеряют азимуты поляризатораи анализатора ,соответствующие минимуму интенсивности прошедшего света. Сдвиг фази отношение амплитудных коэффициентов пропусканиярассчитывают в соответствии с математическими выражениями 2/2,(1 измерительная зона) 2. Недостатком прототипа является необходимость иметь качественный калиброванный компенсатор. Если сдвиг фаз калиброванного компенсатора незначительно отличается от/2, то в принципе невозможно обратить в нуль интенсивность света, прошедшего через систему, если сдвиг фаз исследуемого компенсатора ближе к /2, чем у калиброванного. В результате чего возникают систематические погрешности. Для минимизации погрешностей проводят четыре серии (зоны) измерений азимутов поляризатора и анализатора при различных ориентациях калиброванного компенсатора. Задачей настоящего изобретения является обеспечение измерений сдвига фаз и отношения коэффициентов пропускания главных волн тестируемого компенсатора при отсутствии калиброванного компенсатора. Поставленная задача достигается тем, что с помощью поляризатора и вспомогательного образца формируют луч эллиптически поляризованного монохроматического света с углом эллиптичности, модуль которого заведомо меньше определяемого сдвига фаз,направляют его сквозь тестируемый компенсатор на анализатор, затем измеряют в одной и той же системе координат азимуты компенсатора 1 и 2 и анализатора 1 и 2, соответствующие минимумам интенсивности прошедшего сквозь компенсатор света, и определяют искомые сдвиг фази отношение коэффициентов пропусканияв соответствии с математическими выражениями 2 17151 1 2013.06.30 Введенный в схему образец выполняет вспомогательную функцию создания пробной эллиптической поляризации света, поступающего на исследуемый компенсатор. Если используется схема на прохождение, в качестве образца может служить некачественная четвертьволновая пластинка или любая фазовая пластинка с отличным от нуля сдвигом фаз. Если используется схема на отражение, то в качестве образца можно взять любое металлическое зеркало, которое дает эллиптически поляризованный свет при отрешении под углом Брюстера. Пусть на компенсатор падает эллиптически поляризованный свет с вектором Стокса 00(, , 0, ),где- угол эллиптичности волны,0 - интенсивность. Матрица Мюллера компенсатора, повернутого на угол , будет следующей,2 222 22 022 где 1 . Для того, чтобы на выходе системы была нулевая интенсивность света, вектор Стокса света, прошедшего компенсатор и поступающего на анализатор, должен быть 1,21,2 (1, -21,2, -21,2, 0). Для иллюстрации на фигуре на сфере Пуанкаре показано преобразование вектора Стокса 0 под действием компенсатора при различных его ориентациях. У каждой отмеченной точки на экваторе указана ее полярная координата на сфере Пуанкаре. Решая матричное уравнение 1,20, получим 1-(/)/2, 2/2-1,1-21(-)212121/21/2,и аналогичную формулу, выражающую 2 через 2. Решая обратную задачу, можно найти выражения дляи(1-2)1-(1-1)(2-2)(1-1)(2-2)-1/2(1-1)(2-2)1/2. Существенно, что в последних формулах исключена явная зависимость от величины пробной эллиптической поляризации света . Однако анализ показывает, что ограничения,накладываемые на величину пробной эллиптичности, следующие 0. В противном случае невозможно обратить в нуль интенсивность прошедшего через систему света, а для азимутов компенсатора и анализатора, соответствующих минимуму интенсивности, имеем совпадающие значения 21 и 12 (с точностью до ). Естественно, в таком случае формулы перестают работать и необходимо предпринять меры к снижению пробной эллиптичности. Учитывая, что целью изготовления хорошего компенсатора является достижение/2, такая ситуация довольно редкая и указывает скорее на то, что исследуемый компенсатор имеет неудовлетворительный сдвиг фаз. Отметим, что перед началом измерений необходимо согласовать нулевые отсчеты азимутов компенсатора и анализатора. Эта процедура выполняется так же, как и в прототипе, путем нахождения главных направлений компенсатора. Сравнительные характеристики заявленного способа и прототипа заключаются в следующем. Отпадает необходимость иметь качественный калиброванный компенсатор. Это существенно упрощает процесс калибровки новых компенсаторов (четвертьволновых пластинок), в особенности при изготовлении компенсаторов для диапазона длин волн, где такой компенсатор просто отсутствует. Точность определения сдвига фаз и отношения коэффициентов пропускания главных волн компенсатора не хуже, чем в прототипе с иде 3 17151 1 2013.06.30 альным калиброванным компенсатором, и определяется, главным образом, точностью угломерных устройств. Использование настоящего изобретения упрощает процесс тестирования компенсаторов для эллипсометров и поляриметров. Предлагаемый способ был использован при изготовлении новых четвертьволновых пластинок для эллипсометрических измерений кристаллов в ближней инфракрасной области спектра. Источники информации 1. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М. Наука, 1973. - 720 с. 2.1153275, 1985. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4