DE102016209706A1 - Vorrichtung zur Bestimmung des Polarisationszustands durch Messung von mindestens drei Stokes-Parametern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Polarisationszustands durch Messung von mindestens drei Stokes-Parametern mit optischen Elementen, die entweder als Strahlteiler oder als polarisierendes optisches Element fungieren, sowie mindestens drei Detektoren zur Messung der Polarisation.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Polarisationszustands durch Messung von mindestens drei Stokes-Parametern mit optischen Elementen, die entweder als Strahlteiler oder als polarisierendes optisches Element fungieren, sowie mindestens drei Detektoren zur Messung der Polarisation.
• Polarisationszustandsdetektoren ermitteln die Polarisation der einfallenden Strahlung. Mit einem 6 kanaligen Sensor können alle Elemente des Stokesvektors gleichzeitig – entsprechend der Definition des Stokesvektors ermittelt werden. Aus R. M. A. Azzam. Division-of-amplitude Photopolarimeter (DOAP) for the Simultaneous Measurement of All Four Stokes Parameters of Light. Optica Acta: International Journal of Optics, 29(5): 685–689, 1982 ist ein Polarisationszustandsdetektor mit Amplitudenteilung bekannt, der mit 4 Kanälen arbeitet und zu jedem Zeitpunkt den Polarisationszustand der einfallenden Strahlung bestimmt. Dieser Detektor erfordert einen sehr spezifischen Strahlteiler, der für diesen Detektor speziell angefertigt werden muss. In der Praxis lassen sich die Anforderungen an dieses Bauelement nur in einem eng definierten Wellenlängenbereich erfüllen, so dass der Detektor nur in diesem Wellenlängenbereich verwendbar ist. Eine breitbandige Anwendung des Detektors z. B. in der spektroskopischen Ellipsometrie scheint daher nicht möglich. Dies zeigt beispielsweise eine veröffentlichte Realisierung in Wenjia Yuan, Weidong Shen, Yueguang Zhang, and Xu Liu. Dielectric multilayer beam splitter with differential Phase shift an transmission and reflection for division-of-amplitude photopolarimeter. Optics Express, 22(9): 11011, 2014. Dort wurde ein entsprechend kompakter Strahlteiler als Interferenzfilter mit 46 dielektrischen Schichten realisiert, der alle Optimalitätsbedingungen simultan erfüllt. Dies war allerdings nur in einem Wellenlängenbereich von 40 nm um die Design-Wellenlänge der Fall. Es ist davon auszugehen, dass nach diesem Prinzip für jeden Wellenlängenbereich ein spezifisch angepasster Strahlteiler hergestellt werden muss.
• Die optischen Parameter dieses Strahlteilers sind R, Ψ_r, Δ_r für den reflektierten Pfad und T, Ψ_t, Δ_t für den transmittierten Pfad. Hierbei ist R der Reflexionsgrad im reflektierten Pfad des Strahlteilers, tan Ψ_r der Amplitudenquotient und Δ_r die Phasendifferenz, der durch die Reflexion induzierten Amplitudenänderung bzw. Phasenänderung der s- und p-polarisierten Strahlung. Diese Größen werden, entsprechend der in der Ellipsometrie üblichen Konvention, anhand der Reflexionskoeffizienten r_p, r_s über die fundamentale Gleichung der Ellipsometrie tan

  

  definiert und gemessen. Analog dazu wird beim transmittierten Pfad T als Transmissionsgrad, tan Ψ_t als Amplitudenquotient und Δ_t als Phasendifferenz definiert. Im Stand der Technik wurde nach dem Strahlteiler auf dem reflektierten und transmittierten Pfad jeweils ein Wollaston-Prisma angebracht, das um 45° gegenüber der Einfallsebene des Strahlteilers gedreht ist. Der einfallende Strahl wird somit in vier Teilstrahlen aufgespalten, deren Intensität über vier Photodetektoren gemessen werden.
• Aus der Anforderung einer hohen Sensitivität bei der Messung folgt, dass der Strahlteiler möglichst absorptionsfrei ist und somit nahe an die Idealbedingung R + T = 1 kommt. Die optimalen optischen Parameter des Strahlteilers zur Erzielung einer hohen Sensitivität bei der Messung des Stokesvektors wurden in Azzam, R. M. A. and A. De. Optimal beam splitters for the divisionof-amplitude photopolarimeter. Journal of the Optical Society of America A, 20(5): 955, 20 berechnet. Als Zielfunktion zur Bewertung der Sensitivität bzgl. des Stokesvektors wurde der Absolutbetrag der Determinante der Instrumentenmatrix I verwendet. Die Instrumentenmatrix

  

  ist die Abbildungsmatrix des Stokesvektors auf die gemessenen Intensitätswerte.
• Die optischen Parameter des Strahlteilers, die die Zielfunktion maximieren sind:

  
• Da diese Optimalitätsbedingungen nicht exakt erfüllt werden können, ist ein Strahlteiler zu wählen, der die folgende Zielfunktion maximiert: |(RT)² sin 2Ψ_r sin 2Ψ_t(cos2Ψ_r – cos2Ψ_t)siniΔ_r – Δ_t)| (2)
• Im Gegensatz zu Polarisationszustandsdetektoren mit Amplitudenteilung nach dem Stand der Technik, werden die spezifischen Anforderungen für die Teilstrahlengänge in einer erfindungsgemäßen Realisierung auf mehrere Bauteile verteilt. Dadurch kann jedes Bauteil zusätzlich zu seiner Basisfunktion auf einen großen Wellenlängenbereich optimiert sein.
• Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Polarisations-Zustandsdetektor bereitzustellen, der so konzipiert ist, dass eine Optimierung der einzelnen Elemente hinsichtlich des Wellenlängenbereichs der einfallenden Strahlung ermöglicht wird.
• Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
• Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Bestimmung des Polarisationszustands durch Messung von mindestens drei Stokes-Parametern bereitgestellt, die folgende Komponenten enthält:
• • zwei optische Elemente (1, 2), die einfallende Lichtstrahlen in jeweils zwei Teilstrahlen zerlegen, wobei sich die Polarisation der jeweiligen beiden Teilstrahlen aus der Polarisation der einfallenden Lichtstrahlen und den optischen Eigenschaften der optischen Elemente (1, 2) ergibt,
• • das erste optische Element (1) die auf den Detektor auftreffende Lichtstrahlen in einen transmittierten und einen reflektierten Teilstrahl aufteilt,
• • das zweite optische Element (2) im reflektierten oder transmittierten Teilstrahl angeordnet ist und im anderen Teilstrahl ein optisches Element (3) angeordnet ist, das den Polarisationszustand des auf das optische Element (3) auftreffenden Lichtstrahls ändert oder in zwei Teilstrahlen aufteilt,
• • mindestens drei Detektoren (2a, 2b, 3a) zur Messung der Polarisation, wobei die Detektoren (2a, 2b) in den Teilstrahlen hinter dem optischen Element (2) und der Detektor (3a) im Teilstrahl hinter dem optischen Element (3) angeordnet sind.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Gemäß Anspruch 3 können die Strahlteiler (1), (2) oder (3) ein festes oder einstellbares Teilungsverhältnis aufweisen.
• Gemäß Anspruch 4 können Stahlteiler mit festem Teilerverhältnis als Folie, Strahlteilerplatte, Strahlteilerwürfel oder als diffraktiver Strahlteiler ausgeführt sein. Für die erfindungsgemäße Funktion der Messvorrichtung sind diese Ausführungsformen äquivalent.
• Gemäß Anspruch 5 können Strahlteiler mit variablem Teilungsverhältnis als Komponenten mit örtlich variablem Teilungsverhältnis (dreh- oder verschiebbar) oder als elektronisch einstellbare oder modulierbare Komponenten ausgebildet sein (z. B. Flüssigkristall- oder Kerr-Zellen).
• Gemäß Anspruch 6 kann die Verzögerung in den einzelnen Teilpfaden entweder durch ein Verzögerungselement allein oder in der Wirkung äquivalent als eine Kombination aus mehreren Verzögerungselementen ausgeführt sein.
• Gemäß Anspruch 7 können die Verzögerungselemente auch variabel einstellbar ausgebildet sein.
• Gemäß Anspruch 8 können Verzögerungselemente mit fester Verzögerung durch Elemente mit einer doppelbrechenden Schicht fester Dicke eingesetzt werden. Alternativ dazu können Elemente mit breitbandiger konstanter Verzögerung (z. B. Fresnelsches Parallelepiped) angeordnet sein. Optimal sind Verzögerungselemente, die für jede Wellenlänge eine für diesen Anwendungsfall optimale Verzögerung aufweisen, d. h. die Differenz der Gesamtverzögerung in dem entsprechenden Teilstrahlengang auf einen Wert nahe bringen.
• Gemäß Anspruch 9 sind die Verzögerungselemente mit einstellbarer Verzögerung photoelastische Modulatoren oder rotierende Kompensatoren. Abhängig von der Wellenlänge lassen sich die optimalen Verzögerungen und/oder Drehwinkel der Verzögerungselemente über eine nichtlineare Optimierung berechnen. Für jede Wellenlänge kann dann eine optimale Winkelposition und/oder Verzögerung angegeben werden. Werden anstatt monochromatischer Messungen spektrale Messungen im Zeit-Multiplexverfahren aufgenommen, lässt sich die Verzögerung oder Winkellage mit der Wellenlänge so modulieren, dass immer eine bestmögliche Sensitivität erreicht wird.
• Gemäß Anspruch 10 können Strahlteiler und Verzögerungselemente auf einer oder mehreren Seiten mit einer Anti-Reflexionsschicht vergütet sein. Mit den angegebenen Mitteln werden störende Reflexionen vermieden, um die auf den Detektoren auftreffende Lichtintensität und somit die Sensitivität zu erhöhen.
• Gemäß Anspruch 11 wird der Messvorrichtung eine diffraktive Optik vorgeschaltet oder alternativ mehrere diffraktive Optiken in den Teilstrahlengängen angeordnet. Bei Verwendung von Flächen- oder linearen Sensoren können damit gleichzeitige Messungen in einem ganzen Spektralbereich durchgeführt werden.
• Gemäß Anspruch 12 wird dem Detektor eine abbildende Optik vorgeschaltet oder mehrere mehrere abbildende Optiken in den Teilstrahlengängen angeordnet. Damit kann dann ein definierter Bereich einer Probe untersucht werden.
• Gemäß Anspruch 13 können die Detektoren ausgeführt sein als:
• • Einzelpunkt-Sensor (z. B. Fotodiode oder Photomultiplier)
• • Als Liniensensor (wie Photodiodenarray, CCD- oder CMOS-Zeilensensor)
• • Als Flächensensor (Photodiodenarray, CCD- oder CMOS-Flächensensor, Lichtfeldsensor).
• In der Kombination eines Flächensensors gemäß Anspruch 13 mit einem vorgeschalteteten diffraktiven Element gemäß Anspruch 11 und zusätzlich davor geschalteter abbildender Optik gemäß Anspruch 12 liegt so ein Polarisationszustandsdetektor vor, der in jedem Messintervall gleichzeitig eine ganze Zeile des Objekts in einem ganzen Spektralbereich analysiert.
• Gemäß Anspruch 14 können in Teilstrahlengängen zusätzliche Punkt-, Linien- oder Flächen-Lichtquellen angeordnet sein (eine oder mehrere). Je nach Aufgabenstellung kann es möglich sein sie mit einem Parallel- und oder Winkelversatz im Teilstrahlengang so anzuordnen, dass der Empfängerstrahlengang im Wesentlichen nicht gestört wird und dennoch eine effektive Beleuchtung der Messobjekte erfolgt; d. h. insgesamt ein vernachlässigbarer oder kompensierbarer Fehler entsteht. Andernfalls können diese Lichtquellen über Strahlteiler auf die optische Achse des Teilstrahlengangs eingekoppelt werden. Je nach Ausführungsform der Erfindung ist auch eine Anordnung in einem (oder mehreren), ansonsten ungenutzten Teilstrahlengang möglich. Dadurch wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zu einem kombinierten Polarisations-Zustandsdetektor und Polarisations-Zustandsgenerator. Durch entsprechende Steuerung und Abstimmung von Beleuchtung und Detektion ist es damit prinzipiell möglich mit einer minimalen Anzahl von Messungen komplette Polarisationsinformation über ein Objekt zu erhalten, an dem das Licht der zusätzlichen Lichtquellen:
• • direkt gespiegelt wird oder
• • zweifach gespiegelt wird unter Verwendung eines Spiegels
• • zweifach gespiegelt wird in einem Retroreflexionsaufbau
• • zweifach die Probe durchdringt (in einer Transmissionsanordnung mit Spiegel)
• • oder zweifach die Probe durchdringt (in einer Transmissionsanordnung mit Retroreflektor)
• Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Bestimmung des Polarisationszustands durch Messung von mindestens 3 Stokes-Parametern, bei dem
• • mittels zwei optischen Elementen (1, 2), die einfallende Lichtstrahlen in jeweils zwei Teilstrahlen zerlegt werden, wobei sich die Polarisation der jeweiligen beiden Teilstrahlen aus der Polarisation der einfallenden Lichtstrahlen und den optischen Eigenschaften der optischen Elemente (1, 2) ergibt,
• • mittels dem ersten optischen Element (1) die auf den Detektor auftreffende Lichtstrahlen in einen transmittierten und einen reflektierten Teilstrahl aufgeteilt werden,
• • das zweite optische Element (2) im reflektierten oder transmittierten Teilstrahl angeordnet wird und im anderen Teilstrahl ein optisches Element (3) angeordnet wird, das den Polarisationszustand des auf das optische Element (3) auftreffenden Lichtstrahls ändert oder in zwei Teilstrahlen aufteilt,
• • mindestens drei Detektoren (2a, 2b, 3a) zur Messung der Polarisation eingesetzt werden, wobei die Detektoren (2a, 2b) in den Teilstrahlen hinter dem optischen Element (2) und der Detektor (3a) im Teilstrahl hinter dem optischen Element (3) angeordnet werden.
• Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die zuvor beschriebene Vorrichtung eingesetzt.
• Anhand der nachfolgenden Figuren und des Beispiels soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen einzuschränken.
• 1 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform zur Messung von drei Stokes-Parameter
• 2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform zur Messung von drei Stokes-Parameter
• 3 zeigt anhand einer schematischen Darstellung die Definition der Drehwinkel bei den optischen Elementen 2 und 3 am Beispiel des Elementes 2 anhand der Ebenen e₁ und e₂
• 4 zeigt anhand einer schematischen Darstellung Definition der Drehwinkel für die Verzögerungselemente v₁ und v₂ bzw. v_1a, v_1b, v_2a, v_2b anhand des Winkels zwischen der Oberflächennormale der Ebene e₁ und der schnellen Achse bei Verzögerungselementen mit doppelbrechenden Materialien Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels (s. 2) dargestellt. In der beispielhaften Ausführung besteht die Vorrichtung zur Bestimmung des Polarisationszustands aus folgenden Komponenten:
• 1. Ein Strahlteiler 1 mit speziellen Polarisationseigenschaften
• Dieser ist so ausgelegt, dass der Polarisationszustand auf den transmittierten und reflektierten Teilpfad so aufgeteilt wird, dass mittels nachfolgender Vorrichtung zur Bestimmung des Polarisationszustands eine hohe Sensitivität bzgl. der in der Aufgabenstellung gesuchten Modellparameter erzielt wird.
• In einer erfindungsgemäßen Konfiguration ist es im Gegensatz zum Stand der Technik nur notwendig, dass der Strahlteiler so ausgewählt wird, dass die Parameter R, Ψ_r bzw. T, Ψ_t optimal sind. An Δ_r, Δ_t sind keine spezifischen Anforderungen geknüpft. Δ_r, Δ_t sind bei handelsüblichen Strahlteilern nur in Ausnahmefällen spezifiziert. Spezifische Anforderungen an die Größen Δ_r, Δ_t führen dann dazu, dass – oft komplizierte – Spezialanfertigungen des Strahlteilers erforderlich sind. Da die Anforderungen hier entfallen, können zumeist handelsübliche Strahlteiler eingesetzt werden. Ist zudem ein breitbandiger Einsatz der Vorrichtung zur Bestimmung des Polarisationszustands vorgesehen, so müssen nur die Parameter R, Ψ_r, bzw. T, Ψ_t im angestrebten Wellenlängenbereich günstige Werte (entsprechend Gleichung 1) annehmen.
• 2. Verzögerungselemente auf dem transmittierten und reflektierten Teilstrahlengang
• Auf dem transmittierten und reflektierten Pfad werden Verzögerungselemente (ν₁), (ν₂) eingebracht. Die Verzögerungselemente dienen dazu, eine durch den Strahlteiler hervorgerufene Verzögerung Δ_r, Δ_t auf dem transmittierten und reflektierten Pfad so zu verändern, dass die Sensitivität der gesamten Messvorrichtung erhöht wird. Diese lässt sich analog zum Stand der Technik anhand des Absolutbetrags der Determinante der Instrumentenmatrix bewerten. Durch die in der Erfindung zusätzlich angebrachten oder dreh- bzw. justierbaren optischen Elemente nimmt die Instrumentenmatrix allerdings eine andere Form als im Stand der Technik an, die sich jedoch analog dazu über den Stokes-Müller-Formalismus aufstellen lässt. Die frei wählbaren Konfigurationsparameter der Messvorrichtung sind in diesem Fall optimal, wenn der Absolutbetrag der Determinante der Instrumentenmatrix maximal wird.
• Weist der Strahlteiler 1 eine vom Ideal abweichende Verzögerung Δ_r, Δ_t auf, können zum Ausgleich dieser Abweichungen bspw. jeweils zwei λ/4-Verzögerungselemente (ν_1a), (ν_1b) bzw. (ν_2a), (ν_2b) auf dem reflektierten bzw. transmittierten Pfad angeordnet werden. Um Intensitätsverluste zu vermeiden, sind diese vorzugsweise mit Antireflexbeschichtungen zu versehen. Durch Wahl oder Justage der Winkelstellungen α_t, α'_t für (ν_1a), (ν_1b) bzw. α_r, α'_r für (ν_2a), (ν_2b) dieser Elemente zueinander wird der nachteilige Effekt der Abweichungen von Δ_r, Δ_t des Strahlteilers 1 vom Ideal ausgeglichen. Die so aufgebaute Vorrichtung zur Messung des Polarisationszustands weist die gleiche Sensitivität bei der Messung des Stokesvektors auf wie eine nach dem Stand der Technik.
• 3. Optische Elemente zur Zerlegung des Polarisationszustands
• Auf dem transmittierten und reflektierten Teilstrahlengang sind hinter den Verzögerungselementen Strahlteiler angebracht, die den Polarisationszustand im jeweiligen Teilstrahlengang in zwei weitere Teilstrahlengänge mit orthogonalen Polarisationszuständen zerlegen. In 2 sind diese Elemente als polarisierende Strahlteiler 2 und 3 ausgeführt, die um einen Winkel α₂ bzw. α₃ gedreht sind. Im Gegensatz zum Stand der Technik, sind diese hier nicht unter 45°, sondern unter 0° gedreht. Dies erlaubt eine besonders leichte Montage der optischen Komponenten, da in diesem Fall alle optischen Komponenten in einer einzigen Einfallsebene montiert werden können. Im Stand der Technik – ohne Verzögerungselemente – wäre diese Drehung nicht zulässig, da die Determinante sonst zu Null wird.
• 4. Photodetektoren
• Die Messung der Intensitäten wird über vorzugsweise vier Detektoren durchgeführt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind dies Photomultiplier, die für schnelle Polarisationsmessungen sehr gut geeignet sind.
• Aus den Intensitätsmesswerten wird dann der Stokesvektor berechnet, wobei die optischen Komponenten so angeordnet bzw. ausgewählt werden, dass Rauschen bei den Intensitätsmessungen sich möglich gering auf das Rauschen bei der Berechnung des Stokesvektors auswirkt. Wird für das optische Element 1 bspw. ein Strahlteiler verwendet, bei dem Δ_r = 180° und Δ_t = 0 ist, sind die Winkeleinstellungen der λ/4-Verzögerungselemente bzgl. der Einfallsebene des Strahlteilers 1 und den optischen Achsen folgendermaßen zu wählen: α_r = 135°, α'_r = 0°, α = 90°, α'_r = 135°
• Diese Winkelstellungen sind wie in der Ellipsometrie üblich definiert (s. 4). Erfüllt der Strahlteiler 1 ansonsten die Optimalitätsbedingungen aus Gleichung 1 für R, Ψ_r, T, Ψ_r so ist die gesamte Messvorrichtung optimal, d. h. der Absolutbetrag der Determinante der Instrumentenmatrix ist identisch mit der einer Messvorrichtung mit einem speziellen Strahlteiler gemäß dem Stand der Technik.
• Hat der Strahlteiler anstatt Δ_r = 180° und Δ_r = 0 bspw. die Werte Δ_r = 170° und Δ_t = 7°, so ergeben sich die Drehwinkel für die Verzögerungselemente zu α_r = 89°, α'_r = 40°, α_r = 50°, α'_r = 1°. Man erhält diese als Ergebnis einer nichtlinearen numerischen Optimierung.
• In einer weiteren Ausführungsform können die Drehwinkel α₂, α₃ der Strahlteiler 2 und 3 modifiziert werden (s. 3). Dadurch können insgesamt zwei Verzögerungselemente entfallen, jeweils ein Element im transmittierten und ein Element im reflektierten Pfad. Für Δ_r = 170° und Δ_r = 7° aus dem vorhergehenden Rechenbeispiel sind die optimalen Drehwinkel der Verzögerungselemente v₁, v₂ α_r = 45°, α_r = 135° und die Drehwinkel der polarisierenden Strahlteiler 2 und 3 α₂ = 71°, α₃ = 108°.
• Die Minimalkonfiguration für die Messvorrichtung entsprechend den vorhergehenden Beispielen besteht aus insgesamt einem Verzögerungselement bspw. auf dem reflektierten Pfad und aus gedrehten Strahlteilern 2 und 3. Somit lässt sich der nachteilige Effekt der Abweichungen von Δ_r, Δ_r des Strahlteilers 1 vom Ideal für beliebige Δ_r, Δ_r ausgleichen, durch entsprechende Wahl von α_r, α₂, α₃.
• Eine Messvorrichtung mit einer guten Sensitivität lässt sich in manchen Fällen auch ohne Verzögerungselemente realisieren. Wenn die Werte Δ_r, Δ_r vom Ideal abweichen, ist es in manchen Fällen günstiger die Strahlteiler 2 und 3 unter einem Winkel ungleich 45° zu positionieren. Die Messvorrichtung ist dann aber im Allgemeinen nicht mehr optimal.
• Ist das einfallende Licht vollständig polarisiert, so ist die Messung aller vier Stokes-Parameter nicht notwendig, da ein Parameter dann redundant ist. Es sind daher unter dieser Voraussetzung auch nur drei Messungen bzw. Detektoren notwendig um den kompletten Polarisationszustand zu detektieren (s. 1). Gemäß Anspruch 1 können in der Messvorrichtung daher auch drei Detektoren angeordnet werden. Im Fall von vollständiger Polarisation kann dann mit einer drei-kanaligen Messvorrichtung der Jones-Vektor bestimmt werden (normalisiert bzgl. der Phase).
• Das optische Element 3 kann bei der drei-kanaligen Variante z. B. als Strahlteiler oder Polarisationsfilter ausgeführt sein, das unter einem Drehwinkel α₃ positioniert wird. Die optimalen Drehwinkel α₂, α₃ bzw. die optimalen optischen Parameter des Strahlteilers 1 können wie im vorhergehenden Beispiel durch nichtlineare Optimierung bestimmt werden.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• R. M. A. Azzam. Division-of-amplitude Photopolarimeter (DOAP) for the Simultaneous Measurement of All Four Stokes Parameters of Light. Optica Acta: International Journal of Optics, 29(5): 685–689, 1982 [0002]
• Wenjia Yuan, Weidong Shen, Yueguang Zhang, and Xu Liu. Dielectric multilayer beam splitter with differential Phase shift an transmission and reflection for division-of-amplitude photopolarimeter. Optics Express, 22(9): 11011, 2014 [0002]
• Azzam, R. M. A. and A. De. Optimal beam splitters for the divisionof-amplitude photopolarimeter. Journal of the Optical Society of America A, 20(5): 955, 20 [0004]

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Bestimmung des Polarisationszustands durch Messung von mindestens drei Stokes-Parametern enthaltend • zwei optische Elemente (1, 2), die einfallende Lichtstrahlen in jeweils zwei Teilstrahlen zerlegen, wobei sich die Polarisation der jeweiligen beiden Teilstrahlen aus der Polarisation der einfallenden Lichtstrahlen und den optischen Eigenschaften der optischen Elemente (1, 2) ergibt, • das erste optische Element (1) die auf den Detektor auftreffende Lichtstrahlen in einen transmittierten und einen reflektierten Teilstrahl aufteilt, • das zweite optische Element (2) im reflektierten oder transmittierten Teilstrahl angeordnet ist und im anderen Teilstrahl ein optisches Element (3) angeordnet ist, das den Polarisationszustand des auf das optische Element (3) auftreffenden Lichtstrahls ändert oder in zwei Teilstrahlen aufteilt, • mindestens drei Detektoren (2a, 2b, 3a) zur Messung der Polarisation, wobei die Detektoren (2a, 2b) in den Teilstrahlen hinter dem optischen Element (2) und der Detektor (3a) im Teilstrahl hinter dem optischen Element (3) angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen hinter dem optischen Element (3) angeordneten vierten Detektor (3b) und die Detektoren (3a, 3b) in jeweils einem Teilstrahl hinter dem optischen Element (3) angeordnet sind, wobei • die optischen Elemente (1, 2, 3) die einfallenden Lichtstrahlen in jeweils zwei Teilstrahlen zerlegen, wobei diese Teilstrahlen dann jeweils eine Ebene (e1, e2, e3) aufspannen und sich die Polarisation der jeweiligen beiden Teilstrahlen aus der Polarisation des einfallenden Lichtstrahls und den optischen Eigenschaften der optischen Elemente (1, 2), • das optische Element (2) im reflektierten und das optische Element (3) im transmittierten Teilstrahl angeordnet sind, • das optische Element (2) um einen Winkel α₂ um eine Achse gedreht ist, die der Schnittgeraden der Ebenen (e1) und (e2) entspricht, wobei der Winkel kleiner als 180° ist und Ebene (e1) auf Ebene (e2) abbildet, • das optische Element (3) um einen Winkel α₃ um eine Achse gedreht ist, die der Schnittgeraden der Ebenen (e1) und (e2) entspricht, wobei der Winkel kleiner als 180° ist und Ebene (e1) auf Ebene (e3) abbildet, • entweder beide Drehwinkel α₂ und α₃ einen Wert annehmen, der einem Vielfachen von 45° entspricht und im optischen Strahlengang mindestens ein zusätzliches optisches Verzögerungselement angebracht ist oder mindestens einer der beiden Drehwinkel α₂ und α₃ einen Wert annimmt der nicht einem Vielfachen von 45° entspricht wobei alle vier Detektoren (2a), (2b), (3a), (3b) zur Messung der Polarisation verwendet werden.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente (1, 2, 3) entweder ein festes oder ein einstellbares Teilungsverhältnis von zwei orthogonalen Polarisationszuständen aufweisen deren Intensitäten auf die beiden Pfade des ausfallenden Lichts aufgeteilt werden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (1, 2, 3) mit festem Teilungsverhältnis eine Folie, Strahlteilerplatte, Prisma, Strahlteilerwürfel oder ein diffraktiver Strahlteiler ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente (1, 2, 3) mit einstellbarem Teilungsverhältnis als verdreh- oder verschiebbare Elemente mit örtlich variierendem Teilungsverhältnis, oder als elektronisch modulierbare Komponenten wie Flüssigkristall- oder Kerr-Zellen ausgeführt sind, die zusätzlich mit anderen optischen Elementen gekoppelt sein können.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den transmittierten oder reflektierten Teilstrahlen Verzögerungselemente (v1, v2) angeordnet sind, wobei die gewünschte Verzögerung ggf. aus mehreren einzelnen Verzögerungselementen erzielt wird, insbesondere aus zwei, gegeneinander verdrehbaren doppelbrechende Verzögerungplatten oder -folien.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungselemente (v1, v2) entweder eine feste Verzögerung oder eine einstellbare Verzögerung aufweisen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Verzögerungselemente (v1, v2) mit fester Verzögerung entweder • doppelbrechende Materialien mit fester Dicke verwendet werden • Verzögerungselemente mit einer breitbandig konstanten Verzögerung wie das Fresnelsche Parallelepiped verwendet werden • spezielle Verzögerungselemente mit einer wellenlängenabhängigen Verzögerung verwendet werden, welche die Differenz der Gesamtverzögerung auf dem reflektierten und transmittierten Pfad, die sich aus der des Strahlteiler (1) und den Verzögerungselementen (v1, v2) ergibt, wellenlängenunabhängig über ein breites Spektrum auf einen Wert von π / 2 bringt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungselemente (v1, v2) mit einstellbarer Verzögerung photoelastische Modulatoren oder rotierende Kompensatoren sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente (1, 2, 3, v1, v2) ein- oder beidseitig mit Antireflexbeschichtungen beschichtet sind.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorrichtung eine diffraktive Optik vorgeschaltet und/oder mehrere diffraktive Optiken in den Teilstrahlengängen angeordnet sind.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorrichtung eine abbildende Optik vorgeschaltet und/oder mehrere abbildende Optiken in den Teilstrahlengängen angeordnet sind.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoren (2a, 2b, 3a, 3b) ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus • Einzelpunkt-Sensoren, insbesondere Fotodioden oder Photomultiplier, • Liniensensoren, insbesondere Photodiodenarrays, CCD- oder CMOS-Zeilensensoren, • Flächensensoren, insbesondere Photodiodenarrays, CCD- oder CMOS-Flächensensor, Lichtfeldsensor und • Kombinationen hiervon.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Teilstrahlengängen der Vorrichtung zusätzliche Punkt, Linien oder Flächen Lichtquellen in folgender Weise angeordnet sind: • über Strahlteiler virtuell auf der optischen Achse der Teilstrahlengangs • mit einem Parallel- und/oder Winkelversatz so, dass für die Gesamtvorrichtung ein vernachlässigbarer oder kompensierbarer Fehler entsteht.
15. Verfahren zur Bestimmung des Polarisationszustands durch Messung von mindestens 3 Stokes-Parametern, bei dem • mittels zwei optischen Elementen (1, 2), die einfallende Lichtstrahlen in jeweils zwei Teilstrahlen zerlegt werden, wobei sich die Polarisation der jeweiligen beiden Teilstrahlen aus der Polarisation der einfallenden Lichtstrahlen und den optischen Eigenschaften der optischen Elemente (1, 2) ergibt, • mittels dem ersten optischen Element (1) die auf den Detektor auftreffende Lichtstrahlen in einen transmittierten und einen reflektierten Teilstrahl aufgeteilt werden, • das zweite optische Element (2) im reflektierten oder transmittierten Teilstrahl angeordnet wird und im anderen Teilstrahl ein optisches Element (3) angeordnet wird, das den Polarisationszustand des auf das optische Element (3) auftreffenden Lichtstrahls ändert oder in zwei Teilstrahlen aufteilt, • mindestens drei Detektoren (2a, 2b, 3a) zur Messung der Polarisation eingesetzt werden, wobei die Detektoren (2a, 2b) in den Teilstrahlen hinter dem optischen Element (2) und der Detektor (3a) im Teilstrahl hinter dem optischen Element (3) angeordnet werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 durchgeführt wird.

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