CN101793556B - 一种利用多缝衍射法测量偏振态的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用多缝衍射法测量偏振态的装置及方法，属于光电技术检测技术领域。包括偏振片A、偏振片B、二元光栅、凸透镜和CCD探测器；将偏振片A覆盖二元光栅的一部分，然后沿光路方向依次固定偏振片A、二元光栅、凸透镜、偏振片B和CCD探测器；平行入射光照射在二元光栅上，平行入射光透过二元光栅在CCD探测器成像，形成衍射条纹。本发明易于实际应用，装置简单，能够高精度，对入射单色光无选择性的偏振态测量方法；本发明相对斯托克斯参量法只用到偏振片，且不需要旋转此偏振片，因此在实验上装置简单，且具有高的实验精度；整个实验装置中无波长选择装置，即任何单色光入射均可测量其偏振态；此装置不需校正即可使用。

Description

一种利用多缝衍射法测量偏振态的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种利用多缝衍射法测量偏振态的装置及方法，属于光电技术检测技术领域。

背景技术

偏振光在科学技术及工业生产中有着广泛的应用。比如利用偏振光的干涉可以用来分析材料内部的应力分布情况。在化学分析中，旋光仪是利用偏振光测量溶液的浓度。偏光干涉仪、偏光显微镜等在生物学、医学方面有着重要的应用。偏光天文罗盘在航海和航空方面有着极其重要的地位。偏振遥感技术对大气科学及天文学的发展有重要的意义，另外偏振光还可以用做3D成像等方面。

半导体集成电路产业是事关国防建设、国民经济和信息安全的基础性和战略性产业。目前，作为集成电路制造中最为核心和主流的光学投影光刻技术，随着曝光波长不断减小、数值孔径不断增大，各种分辨率增强技术的应用，图形特征尺寸在不断减小。目前，浸没式193光刻技术成为一项列在ITRS(国际半导体技术蓝图)上的一项关键技术，可以实现45nm及其以下技术节点。由于浸没式曝光系统的数值孔径大于1，因此需要考虑大角度矢量干涉对光刻成像性能的影响。据此业内提出采用偏振照明方式，来有效地提高成像对比和分辨率等。因此，光刻研究中必须严密检测从照明系统、掩模、投影物镜、浸没液体再到光刻胶中成像的光波偏振态变化。因此对偏振光的检测意义重大。

光波偏振态的测量，主要是基于斯托克斯参量法。其中主流方法为测量一束光分别经过几组不同光轴及快轴方向组合的偏振片与1/4波片，测量透射光强即可计算出入射光的斯托克斯矢量。此方法需要多次改变偏振片透光轴与1/4波片快轴的方向，光轴的调整精确会引入系统误差；另外由于使用了1/4波片，在不更换1/4波片的情况下只能真对特定波长进行测量，这极大影响了偏振光检测的效率与精度。另一种方法为利用振幅分割原理，把入射光分成四份后分别经过对应的四个探测器，在已知每个探测器对入射光的响应系数和整个系统的仪器矩阵下，可以计算出入射光的斯托克斯矢量。此方法分光器件及探测器位置摆放极为严格，并且在应用前需要分别测量探测器的特性参数和整个系统的仪器矩阵，因此其成本较高。另外，此方法只能测量一段波长(主要为可见波段及部分红外波段)范围的偏振光。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种利用多缝衍射法测量偏振态的装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明是一种利用多缝衍射法测量偏振态的装置，包括偏振片、二元光栅、凸透镜和CCD探测器；其中二元光栅的缝宽度都相等，且不限制光栅狭缝个数；光栅距透镜距离可根据实际情况而定；沿光路方向依次为偏振片、二元光栅、凸透镜和CCD探测器。

本发明的一种利用多缝衍射法测量偏振态的方法，其具体步骤为：

1)将偏振片覆盖二元光栅的一部分，然后沿光路方向依次固定偏振片、二元光栅、凸透镜和CCD探测器；

2)平行入射光照射在二元光栅上，平行入射光透过二元光栅在CCD探测器成像，形成衍射条纹；

3)根据衍射理论，推导CCD探测器上任意点如P点光强表达式如式(1)：

$I\left(p\right)=\frac{3I_{0}a}{D^2}N{\cos }^2\mathrm{\θ}+\frac{2-2\cos \mathrm{ka}\sin \mathrm{\θ}}{k^2{\sin }^2\mathrm{\θ}}\frac{1-\cos \mathrm{N\β}}{1-\cos 2\mathrm{\β}}.$

$[\frac{1}{4}{\left(c_1{E}_x\right)}^2+\frac{3}{4}{\left(c_1{E}_y\right)}^2+{\left(c_2{E}_y\right)}^2+{\left(c_2{E}_x\right)}^2+\frac{\sqrt{3}}{2}{c}_1^2{E}_x{E}_y\cos \mathrm{\α}+\sqrt{3}{c}_1{c}_2{E}_x{E}_y\cos \left(k(L_1-L_2)\right)\cos \mathrm{\α}---\left(1\right)$

$+\frac{3}{2}{c}_1{c}_2{E}_y^2\cos \left(k(L_1-L_2)\right)+\frac{1}{2}{c}_1{c}_2{E}_x^2\cos \left(k(L_1-L_2)\right)]$

4)在步骤2)得到的衍射条纹中任取一段根据步骤3)中的式(1)进行拟合，得到平行入射光的偏振态。

上述的装置和方法能够测量任何波长入射光的偏振态；

上述的装置和方法应用到光学仪器上，可以测量光的偏振态，如将本发明的装置加入到光栅光谱仪上，可以测量光的偏振态。

有益效果

本发明易于实际应用，装置简单，能够高精度，对入射单色光无选择性的偏振态测量方法；本发明相对斯托克斯参量法只用到偏振片，且不需要旋转此偏振片，因此在实验上装置简单，且具有高的实验精度；整个实验装置中无波长选择装置，即任何单色光入射均可测量其偏振态；此装置不需校正即可使用。

附图说明

图1是本发明的示意图；

图2是偏振片覆盖多缝光栅示意图；

图3是偏振片光轴方向示意图；

图4是本发明中除I₀外其余参数不变的情况下，干涉光强随θ的变化；

图5是本发明中除E_x和E_y外其余参数不变的情况下，干涉光强随θ的变化；

其中，1-偏振片，3-二元光栅，4-凸透镜，5-CCD探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

实施例

一种利用多缝衍射法测量偏振态的装置，如图1所示，包括偏振片1、二元光栅3、凸透镜4和CCD探测器5；其中二元光栅3的缝宽度都相等，且不限制光栅狭缝个数；光栅距透镜距离可根据实际情况而定；沿光路方向依次为偏振片1、二元光栅3、凸透镜4和CCD探测器5。

一种利用多缝衍射法测量偏振态的方法，其具体步骤为：

1)将偏振片1覆盖二元光栅3的一部分，如图2、图3所示，偏振片1的透光轴方向与X轴成60°；然后沿光路方向依次固定偏振片1、二元光栅3、凸透镜4和CCD探测器5；CCD探测器5位于凸透镜4的焦平面上；

2)平行入射光照射在二元光栅3上，平行入射光透过二元光栅3在CCD探测器5成像，形成衍射条纹；

3)现假设平行入射光为部分偏振光，平行入射光垂直入射于挡光板，部分偏振光可以等效成自然光和一个完全偏振光的迭加；完全偏振光可以表示为

E_x为x方向电场矢量强度，E_y为y方向电场矢量强度，α为E_y相对E_x的位相差；如图1所示，那么在CCD上P点光强为经二元光栅3后，衍射方向相同的光经凸透镜4聚焦在P点的相干迭加；

根据衍射理论，可以把二元光栅3上的狭缝出射光的电场振动方向沿x、y和z方向分解，同一坐标轴方向光相干迭加，不同方向光只按光强标量相加；则P点光强表达式为：

$I\left(p\right)=\frac{3I_{0}a}{D^2}N{\cos }^2\mathrm{\θ}+\frac{2-2\cos \mathrm{ka}\sin \mathrm{\θ}}{k^2{\sin }^2\mathrm{\θ}}\frac{1-\cos \mathrm{N\β}}{1-\cos 2\mathrm{\β}}.$

$[\frac{1}{4}{\left(c_1{E}_x\right)}^2+\frac{3}{4}{\left(c_1{E}_y\right)}^2+{\left(c_2{E}_y\right)}^2+{\left(c_2{E}_x\right)}^2+\frac{\sqrt{3}}{2}{c}_1^2{E}_x{E}_y\cos \mathrm{\α}+\sqrt{3}{c}_1{c}_2{E}_x{E}_y\cos \left(k(L_1-L_2)\right)\cos \mathrm{\α}---\left(1\right)$

$+\frac{3}{2}{c}_1{c}_2{E}_y^2\cos \left(k(L_1-L_2)\right)+\frac{1}{2}{c}_1{c}_2{E}_x^2\cos \left(k(L_1-L_2)\right)]$

其中θ为r与z轴夹角，光栅缝宽为a，缝间距为d，光栅距透镜距离为D，I₀为入射光中等效成自然光强度，总狭缝数为N，c₁和c₂为常数且c₂＝2c₁；

4)在步骤2)得到的衍射条纹中任取一段，根据步骤3)中的式(1)进行拟合得到c₁，E_x，E_y，α，I₀值，由E_x，E_y，α，I₀可以确定平行入射光的偏振态；

图4为改变参数I₀，理论计算接收屏处干涉强度的变化情况；当I₀取值为0时对应图5中实线，当I₀取值为0.0001时对应图5中虚线，随I₀值的变化，衍射条纹整体垂直移动；从衍射条纹垂直移动量就可以求得I₀；

图5为分别改变参数E_x和E_y，理论计算接收屏处衍射强度的变化情况；当E_x＝E_y＝0.1、E_x＝0.2，E_y＝0.1、E_x＝0.1，E_y＝0.2时，随着E_x和E_y的变化，光强衍射曲线的相对形状出现变化，此时以公式1拟合曲线得到E_x和E_y值；

上述的装置和方法能够测量任何波长入射光的偏振态；

上述的装置和方法应用到光学仪器上，可以测量光的偏振态，如将本发明的装置加入到光栅光谱仪上，可以测量光的偏振态。

上述实施过程中，各部件的位置，偏振片光轴方向，狭缝间距都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，对个别部件进行改进和等同变换，不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (1)

1.一种利用多缝衍射法测量偏振态的方法，其特征在于其具体步骤为：

1）将偏振片（1）覆盖二元光栅（3）的一部分，然后沿光路方向依次固定偏振片（1）、二元光栅（3）、凸透镜（4）和CCD探测器（5）；

2）平行入射光照射在二元光栅（3）上，平行入射光透过二元光栅（3）在CCD探测器（5）成像，形成衍射条纹；

3）根据衍射理论，推导CCD探测器（5）上任意点P点光强表达式如式（1）：

$\begin{array}{c}I\left(p\right)\frac{31.a}{D^2}N{\cos }^2\mathrm{\θ}+\frac{2-2\cos \mathrm{ka}\sin \mathrm{\θ}}{k^2{\sin }^2\mathrm{\θ}}\frac{1-\cos \mathrm{N\β}}{1-\cos 2\mathrm{\β}}\\ [\frac{1}{4}{\left(c_1{E}_x\right)}^2+\frac{3}{4}{\left(c_1{E}_y\right)}^2+{\left(c_2{E}_y\right)}^2+{\left(c_2{E}_x\right)}^2+\frac{\sqrt{3}}{2}\\ +\frac{3}{2}{c}_1{c}_2{E}_y^2\cos \left(k(L_1-L_2)\right)+\frac{1}{2}{c}_1{c}_2{E}_x^2\cos \left(k(L_1-L_2)\right)\end{array},c_1^2{E}_x{E}_y\cos \mathrm{\α}+\sqrt{3}{c}_1{c}_2{E}_x{E}_y\cos \left(k(L_1-L_2)\right)\cos \mathrm{\α}---\left(1\right)$

其中θ为r与z轴夹角，光栅缝宽为a，缝间距为d，光栅距透镜距离为D，I₀为入射光中等效成自然光强度，总狭缝数为N，c₁和c₂为常数且c₁＝2c₂，E_x为x方向电场矢量强度，E_y为y方向电场矢量强度，α为E_x相对于E_y的位相差；

4）在步骤2）得到的衍射条纹中任取一段根据步骤3）中的式（1）进行拟合，得到平行入射光的偏振态。

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