DD217618A1

DD217618A1 - ARRANGEMENT FOR DEFINED PHASE VARIATION IN TWO-WAY INTERFEROMETERS

Info

Publication number: DD217618A1
Application number: DD25434383A
Authority: DD
Inventors: Klaus Merkel; Walter Endlicher; Wolfgang Harnisch; Ingrid Brendel
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1983-08-30
Filing date: 1983-08-30
Publication date: 1985-01-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur definierten Phasenvariation in Zweistrahlinterferometern mit der die Phasendifferenz zwischen den Teilwellen mit einer reproduzierbaren Genauigkeit von weniger als 1 nm einstellbar ist, ohne den geometrischen Weg zu veraendern und diese Wegverschiebung messen zu muessen. Die Anordnung besteht aus einer Lichtquelle, einem Polarisator, einem Polarisationsstrahlenteiler zur Aufspaltung der Wellen in zwei raeumlich getrennte und senkrecht zueinander polarisierte Teilbuendel, in deren Lichtweg je ein l/4-Plaettchen und ein Spiegel zum Zurueckfuehren der Teilwellen auf den Polarisationsstrahlenteiler angeordnet sind, und aus im Lichtweg des aus den wiedervereinten Teilbuendeln entstehenden Abbildungsstrahles nacheinander angeordneten l/4-Plaettchen, l/2-Plaettchen und einem Polarisator. FigurThe invention relates to an arrangement for the defined phase variation in two-beam interferometers with which the phase difference between the sub-waves with a reproducible accuracy of less than 1 nm can be adjusted without changing the geometric path and must measure this displacement. The arrangement consists of a light source, a polarizer, a polarization beam splitter for splitting the waves into two spatially separated and perpendicular to each other polarized Teilbuendel, in the light path each a l / 4-Plaettchen and a mirror for Rückfuehren the partial waves are arranged on the polarization beam splitter, and from in the light path of the resulting from the reunited Teilbuendeln imaging beam successively arranged l / 4-Plaettchen, ½-Plaettchen and a polarizer. figure

Description

Titel: Anordnung zur definierten Phasenvariation in Zweistrahlinterferometern Title : Arrangement for the defined phase variation in two-beam interferometers

Anwendungsgebiet der Erfindung:. ' '\ . . Field of application of the invention :. '' \. ,

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur definierten Variation der Phasendifferenz zwischen den beiden interferierenden Teilwellen eines Zweistrahlinterferometers,' wobei, die Phasendifferenz zwischen den Teilwellen hochgenau einstellbar ist ohne den geometrischen Weg zu verändern und diese Verschiebung messen zu müssen.The invention relates to an arrangement for the defined variation of the phase difference between the two interfering partial waves of a two-beam interferometer, wherein the phase difference between the partial waves can be adjusted with high precision without having to change the geometric path and to measure this displacement.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen: In Zweistrahlinterferometern werden zum Abgleich der· Lichtwege oder zur Realisierung" des jeweiligen Meßprinzips Anordnungen zur Änderung der Phasendifferenz zwischen den interferierenden. Teilwellen benötigt. Entsprechend des jeweiligen Interferometertyps sind dafür verschiedene Prinzipien bekannt. . . ' Characteristic of the Known Technical Solutions: In two-beam interferometers, arrangements are required for balancing the light paths or for realizing the respective measuring principle for changing the phase difference between the interfering partial waves.

Üblich ist es, den geometrischen Weg. zwischen den Teilwellen z.'B, in einem Interferometer vom Michelsontyp durch Verschiebung eines Spiegels zu variieren. (Baker,L.H., Proc. Phys. Soc. B, 68, 1955j 871) ' "' .It is common, the geometric way. between the partial waves z.'B to vary in a Michelsontyp interferometer by shifting a mirror. (Baker, L.H., Proc. Phys. Soc. B, 68, 1955, 871).

Üblich ist es auch, den optischen Weg in einem Interferometerarm zu verändern z.B. durch Verkippung einer planparallelen, Glasplatte (Kellsall,D., Proc. Phys. Soc. 73, 1959; 465), durch Verschiebung eines Glaskeils oder durch Veränderung des Drucks in einer gasgefüllten Küvette (Nebe,W., Analytische Interferometrie, 1975 Berlin). Diese Phasenschieber eignen sich für beliebig polarisiertes Licht, an die mechanischen Bewegungen werden aber extreme Genauigkeitsanforde-It is also common to change the optical path in an interferometer arm, e.g. by tilting a plane-parallel, glass plate (Kellsall, D., Proc. Phys Soc., 73, 1959, 465), by displacement of a glass wedge or by changing the pressure in a gas-filled cuvette (Nebe, W., Analytical Interferometry, 1975 Berlin) , These phase shifters are suitable for arbitrarily polarized light, but the mechanical movements require extreme accuracy requirements.

43124312

-5.DEL1983*i339S6-5.DEL1983 * i339S6

rungen gestellt. Polarisationsoptisch ergeben sich, die Möglichkeiten der Variation der Dicke einer doppelbrechenden Kristallplatte z.B". mit einem polarisationsoptischen Kompensator ,(Beyer,Η,·, Handbuch der Mikroskopie, Berlin 1973) und der Veränderung der Brechzahldifferenz mit Hilfe elektrooptischer Kristalle (Shewandrow,N.P., Die Polarisation des Lichtes, Berlin 1973).posed. Polarization optics result in the possibilities of varying the thickness of a birefringent crystal plate eg with a polarization optical compensator (Beyer, Η, ·, Handbook of Microscopy, Berlin 1973) and the change in the refractive index difference with the aid of electrooptical crystals (Shewandrow, NP, Die Polarization of Light, Berlin 1973).

Die auf einer Veränderung der Kristallplattendicke beruhenden Phasenkompensatoren haben große Bedeutung bei der.Messung von Gangunterschieden in der Polarisationsmikroskopie. Allerdings erzeugt die Mehrzahl der bekannten Kondensatoren nur an einem festen Punkt des Gesichtsfeldes einen bestimmten Gangunterschied. Da hier die Phasendifferenz gleichmäßig über, das gesamte Gesichtsfeld des Interferometers variiert werden muß, eignet sich der^; Soleü-Kompensator. Die Forderung nach reproduzierbarer Einstellgenauigkeit kleiner 1 nm ist mit diesem Kompensator kaum erreichbar.The phase compensators based on a change in the crystal plate thickness are of great importance in the measurement of gait differences in polarization microscopy. However, the majority of known capacitors generate a certain path difference only at a fixed point of the visual field. Since the phase difference must be uniformly varied over, the entire field of view of the interferometer, which is suitable ^; Soleü compensator. The requirement for reproducible setting accuracy of less than 1 nm is hardly achievable with this compensator.

Ziel der Erfindung: Object of the invention :

Ziel der Erfindung ist es, für die Phasendifferenz zwischen den Teilwellen eines Interferometers eine reproduzierbare Einstellgenauigkeit von weniger als 1 nm zu erreichen..The aim of the invention is to achieve a reproducible setting accuracy of less than 1 nm for the phase difference between the partial waves of an interferometer.

Darlegung des Wesens der Erfindung: . Presentation of the essence of the invention:.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, die es ermöglicht, die Phasendifferenz zwischen den Teilwellen eines Zweistrahlinterferometers definiert mit hoher Genauigkeit einzustellen, ohne den geometrischen Weg zu verändern und diese Verschiebung messen zu müssen. Die Aufgabe löst eine Anordnung aus einer monochromatischen lichtquelle, einem im Strahlengang der Lichtquelle angeordneten Polarisator zur linearen Polarisierung der Strahlung, einem Polarisationsstrahlenteiler mit zur Lichteinfallsrichtung geneigten Durchlaßrichtungen zur Aufspaltung des von der Lichtquelle herrührenden Lichtes* in zwei räumlich getrennte und senkrecht zueinander polarisierte Teilbündei, zwei Interferoneterarmen mit im Lichtweg jedes Teilbündels angeordnetem λ/4-Plättchen und einem Spiegel zum Zurückführen der Teilbündel auf den PolarisationsstrahlenteilerThe invention has for its object to provide an arrangement which makes it possible to set the phase difference between the partial waves of a two-beam interferometer defined with high accuracy, without having to change the geometric path and to measure this shift. The object is achieved by an arrangement of a monochromatic light source, arranged in the beam path of the light source for linear polarization of the radiation, a polarization beam splitter with inclined to the direction of light transmission directions for splitting the light originating from the light source * into two spatially separated and mutually polarized Teilbündei, two Interferoneterarmen arranged in the light path of each sub-beam λ / 4-plate and a mirror for returning the sub-beams on the polarization beam splitter

. h ΊΑ Ο , h ΊΑ Ο

'und mit,einem durch den Polarisationsstrahlenteiler aus den beiden zurückgeführten Teirbündeln erzeugten und von diesen räumlich getrennten Abbildungsstrahlengang, erfindungsgemäß dadurch, daß die Λ./4 - Plättchen der Interferometerarme mit den orthogonalen Transmissionsrichtungen des Polarisationsstrahlenteilers einen Winkel von 45 ° einschließen und in Lichtrichtung im Abbildungsstrahlengang ein drittesand with, an imaging beam path generated by the polarization beam splitter from the two returned partial beams and spatially separate from them, according to the invention in that the .lambda. / 4 plates of the interferometer arms enclose an angle of 45.degree. with the orthogonal transmission directions of the polarization beam splitter and in the direction of light in FIG Picture beam path a third

Λ /4 - Plättchen, ein drehbares λ /2 - Plättchen und ein-Polarisator angeordnet sind, wobei das dritte ^ιλ*/4 Plättchen mit den orthogonalen Transmissionsrichtungen des : Polarisationsstrahlenteilers einen''Winkel von 45 ° einschließt.Dritte / 4 - platelets, a rotatable λ / 2 - plate and a polarizer are arranged, wherein the third ^ι λ * / 4 plate with the orthogonal transmission directions of the : polarization beam splitter ein'' angle of 45 °.

'Das Λ /4 - Plättchen im Abbildungsstrahlengang erzeugt. aus den beiden senkrecht zueinander-polarisierten wiedervereinten Teilbündeln eine links und eine rechts zirkulär' polarisierte Welle. Die λ/2 - Phasenplatte des Abbildungsstrahlenganges wird um entsprechende Winkelbeträge verdreht, wobei die einzelnen Komponenten der zirkulär polarisierten' Teilwellen um jeweils.den doppelten-Drehwinkel'The Λ / 4 - plate generated in the imaging beam path. from the two perpendicular to each other-polarized reunited sub-beams a left and a right circular 'polarized wave. The λ / 2 phase plate of the imaging beam path is rotated by corresponding angular amounts, the individual components of the circularly polarized partial waves being in each case at twice the rotation angle

V^ der A/2 - Platte verdreht werden. Hinter dem im Äbbildungsstrahlengang befindlichen Polarisator interferieren ' die Komponenten derart, daß die Tei'lwellen" unabhängig vom Drehwinkel gleiche Amplituden haben und ihre Phasendifferenz O= 4^lfbeträgt. Für die Lichtwellenlänge von 633 mn ergibt sich daraus für den Drehwinkel ψ ^s '' '^^ » woraus folgt, daß einer Winke!änderung'von 0,9' eine Weglängendifferenzänderung von 0,1 nm entspricht. Diese Winkeländerung wird mit inkrementalen Wegmeßsystemen ohne größeren Aufwand gemessen. - ..- .·V ^ of the A / 2 - plate are twisted. Behind the polarizer located in the imaging beam path, the components interfere in such a way that the partial waves "have the same amplitudes independent of the angle of rotation and their phase difference O = 4 ^L. For the light wavelength of 633 nm, this results for the rotational angle ψ ^s "'. ^^ "and it follows that an angle änderung'von 0,9 'corresponds to a Weglängendifferenzänderung of 0.1 nm This angular change is measured with incremental distance measuring systems without major effort -.. ..- ·.

Mit dieser Anordnung ist über eine definierte Winkeleinstellung eine entsprechende Phaseneinstellun-g bzw. -messung mögliqh, wobei die in üblicher Weise vorgenommene-Wegände— rung durch Drehung einer \ /2 - Platte ersetzt wird und der optischen Wegdifferenz von 0,1 nm eine Drehwinkeländerung der Phasenplatte von ca. 1' entspricht. Das Ziel der Erfindung wird auch erreicht, wenn für den Polarisationsstrahlenteiler ein doppelbrechender Kristall zum Einsatz kommt. " ,With this arrangement, a corresponding phase adjustment or measurement is possible via a defined angle setting, wherein the displacement path made in the usual way is replaced by rotation of a λ / 2 plate and the optical path difference of 0.1 nm is a rotation angle change the phase plate of about 1 'corresponds. The object of the invention is also achieved if a birefringent crystal is used for the polarization beam splitter. ",

⁴³ⁱ². ⁴³ⁱ² .

c ncnnOi^i 'i '-> Q W iic ncnnOi ^ i 'i' -> Q W ii

Darüberhinaus ist es möglich im Abbildungsstrahlengang in Lieinrichtung nur ein A/4. - Plättchen und einen rotie- renden Polarisator anzuordnen. Die Phasendifferenz (Γ entspricht in diesem Pall J"= 2 ^ , wobei ψ der Drehwinkel des Polarisators ist. · _; Moreover, it is possible in the imaging beam path in Lieinrichtung only an A / 4. - to arrange plates and a rotating polarizer. The phase difference (Γ corresponds in this Pall J "= 2 ^, wherein ψ is the rotation angle of the polarizer _·.

Das Ziel der Erfindung wird darüberhinaus auch erreicht, wenn der Polarisationsstrahlenteiler durch einen bekannten Strahlenteiler zur Amplitudenteilung ersetzt wird und in einem Interferometerarm in Lichtrichtung des Teilbündels ein Polarisator, ein feststehendes λ/4 - Plättchen, ein drehbares λ /4 - Plättchen und ein Spiegel angeordnet . sind. In diesem Pail wird die Phasendifferenz in einem Interferometerarm und nicht im Abbildungsstrahlengang eingeführt. . . · . ^x The object of the invention is moreover achieved when the polarization beam splitter is replaced by a known beam splitter for amplitude division and a polarizer, a fixed λ / 4 plate, a rotatable λ / 4 plate and a mirror are arranged in an interferometer arm in the light direction of the sub-beam , are. In this Pail, the phase difference is introduced in an interferometer arm and not in the imaging beam path. , , ·. ^x

Ausführungsbeis-piel': . Implementation example :.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels, näher erläutert, wobei Abbildung 1 die erfindungsgemäße Anordnung zeigt. Die von einer monochromatischen Lichtquelle 1 ausgehende Welle 2,wird von einem Polarisator 3 linear polarisiert« An einem Polarisationsstrahlenteiler 4 wird die auftreffende Welle in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teil-, bündel aufgespaltet. Jedes Teilbündel durchläuft einen der beiden getrennten Interferometerarme- 5 bzw. 6. In den Interferometerarm 5 und 6 sind je ein A/4 - Plättchen 7 bzw. 8 und ein Spiegel 9 bzw. 10 angeordnet. Durch die beiden X /4 — Plättchen 7, 8 wird die Polarisationsrichtung beider Teilwellen um .jeweils 90 ° gedreht. Die an den beiden Spiegeln 9 bzw. 10 reflektierten Teilwellen werden am Polarisationsstrahlenteiler 4 wieder vereint und treten in den Abbildungsstrahlengang 11 ein. Im Abbildungsstrahlengang 11 sind ein X/4 - Plättchen 12, ein drehbares K/2 -Plättchen 13 und ein Polarisator 14 angeordnet. Das /\/4 Plättchen 12 schließt mit. den orthogonalen Transmissionsrichtungen des Polarisationsstrahlenteilers einen Winkel von 45 ° ein und erzeugt so aus den beiden wiedervereinten senkrecht polarisierten Teilwellen eine links und eine rechts zirkulär polarisierte Welle.The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawing, wherein Figure 1 shows the arrangement according to the invention. The emanating from a monochromatic light source 1 wave 2 is linearly polarized by a polarizer 3 "on a polarization beam splitter 4, the incident wave is split into two mutually perpendicular polarized partial, bundle. Each sub-beam passes through one of the two separate Interferometerarme- 5 and 6 respectively. In the Interferometerarm 5 and 6 are each an A / 4 - platelets 7 and 8 and a mirror 9 and 10 respectively. Through the two X / 4 - platelets 7, 8, the polarization direction of both partial waves is rotated by .Each 90 °. The partial waves reflected at the two mirrors 9 and 10 are reunited at the polarization beam splitter 4 and enter the imaging beam path 11. An X / 4 plate 12, a rotatable K / 2 plate 13 and a polarizer 14 are arranged in the imaging beam path 11. The / \ / 4 tile 12 closes with. The orthogonal transmission directions of the polarization beam splitter an angle of 45 ° and thus generates from the two reunited vertically polarized partial waves, a left and a right circularly polarized wave.

: ' . 4312: '. 4312

In Abhängigkeit vom Drehwinkel Ψder λ/2 - Platte 13 dreht sie die einzelnen Komponenten der zirkulär polarisierten Teilwellen um jeweils den doppelten Drehwinkel der Λ/2 - Platte. Am Polarisator 14 werden von'den beiden' zirkulär polarisierten Teilwellen nur die jeweils auf die Transmissionsrichtung des Polarisators 14 entfallenden Komponenten durchgelassen. Die Komponenten interferieren in der Art, daß hinter dem Polarisator f4 die den beiden ' Interferometerarmen 5 und 6 entspringenden Teilwellen unabhängig vom Drehwinkel ^ dieselbe Amplitude haben und ihre Phasendifferenz (T linear vom Drehwinkel ¹Y entsprechend , (T= 4 ψ abhängig ist.Depending on the angle of rotation Ψ of the λ / 2 plate 13, it rotates the individual components of the circularly polarized partial waves by twice the rotational angle of the Λ / 2 plate. At the polarizer 14, only the respective components attributable to the transmission direction of the polarizer 14 are transmitted by the two circularly polarized partial waves. The components interfere in such a way that behind the polarizer f4 the partial waves originating from the two 'interferometer arms 5 and 6 have the same amplitude independently of the angle of rotation ^ and their phase difference (T linearly dependent on the angle of rotation ¹ Y , (T = 4 ψ) .

Damit ist durch eine .entsprechend genaue meßbare Einstellung des Winkels ψ die Phasendifferenz zwischen den beiden Teilwellen eines Zweistrahlinterferometers mit hoher Genauigkeit einzustellen. Pur die Lichtwellenlänge von 533 nm ergibt sich damit ψ = 73§7»m ' ' ' Daraus folgt, daß einer Winkeländerung von 0,9^f eine Weglängendifferenzänderung von 0,1 nm entspricht. Diese Winkeländerung ist mit modernen inkrementalen Winkelmeßsystemen ohne größeren Aufwand meßbar. .Thus, the phase difference between the two sub-waves of a two-beam interferometer can be adjusted with high accuracy by a correspondingly accurate measurable adjustment of the angle ψ . Thus, the light wavelength of 533 nm results ψ = 73§7 »m '''It follows that an angle change of 0.9 ^f corresponds to a path length difference change of 0.1 nm. This change in angle is measurable with modern incremental Winkelmeßsystemen without much effort. ,

43124312

Claims

Claim of merit ; ,

1. Arrangement for the defined phase variation in two-beam interferometers with a monochromatic light source, arranged in the beam path of the light source for linear polarization of the radiation, a polarization beam splitter with inclined to Lichteinfalls- direction transmission directions for splitting the light originating from the light source in two spatially separated and perpendicular to each other polarized sub-beams, two interferometer arms arranged in the light path of each sub-beam λ / 4 - platelets and a mirror for returning the sub-beams to the polarization beam splitter and with a returned by the polarization beam splitter of the two. Partial bundles generated and spatially. Separate imaging beam path, characterized in that dai3 the λ / 4 - platelets of interferons terarme with. enclose an angle of 45 ° in the orthogonal transmission directions of the polarization beam splitter:. and in the light direction of the imaging radiator. a third ^: λ / 4 plate, a rotatable λ / 2 plate. and a polarizer ", the third A / 4 plate having the orthogonal transmission directions of the polarization beam splitter including an angle of 45 °.

2. Arrangement according to item 1, characterized in that.the polarisaxial beam splitter is a birefringent crystal.

3. Arrangement according to item 1 or 2, characterized in that in the light direction in the imaging beam path

A / 4 - plate and a rotating polarizer on. are ordered. , .

4. Arrangement according to item 1, characterized in that the beam splitter is a known beam splitter for amplitude division and in a Interferometerarm successively a polarizer, a fixed .A / 4 - platelet, a rotatable Λ / 4 - platelets and a mirror

- are ordered. ,

For this a sheet drawing. 4312 '