DE10238078C1

DE10238078C1 - Verfahren und Anordnung zur orts- und winkelaufgelösten Reflexionsmessung

Info

Publication number: DE10238078C1
Application number: DE2002138078
Authority: DE
Inventors: Ruediger Grunwald; Andreas Fischer
Original assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Current assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Priority date: 2002-08-21
Filing date: 2002-08-21
Publication date: 2003-12-24
Anticipated expiration: 2022-08-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur orts- und winkelaufgelösten Reflexionsmessung. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung zu entwickeln, mit denen die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und mit denen durch eine geeignete Beleuchtung und Anordnung der Probe im Strahlgang einer Lichtquelle eine in der Genauigkeit wesentlich verbesserte orts- und zugleich winkelaufgelöste Reflexionsmessung bei gleichzeitig verhältnismäßig geringem apparativen Aufwand erzielt wird, wird durch eine Anordnung gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass in den Strahlengang (2) einer Lichtquelle (1) ein Axicon (3) und eine strahleneinengende Blende (5) so eingebracht sind, dass ein zu vermessendes Objekt (6) mit nichtdiffraktiven Strahlen extrem kleiner Winkel gegenüber der optischen Achse beleuchtet wird, wobei das zu vermessende Objekt (6) zusammen mit einem Detektor (10), welcher in einem vom Messobjekt (6) reflektierten Strahl (8) angeordnet ist, in einem definierten und verstellbaren Winkel (7) zur optischen Achse geneigt angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur orts- und zugleich winkelaufgelösten Reflexionsmessung gemäß den Ansprüchen 1 und 9.

Reflexions- und Antireflexionsbeschichtungen besitzen zunehmende Bedeutung für Komponenten von Hochleistungs lasersystemen und hochveredelte Optiken mit vielfältigsten Einsatzbereichen wie Lasermaterialbearbeitung, Lasermedi zin, Telekommunikation, Fototechnik, Datenverarbeitung, Automobilbau, Raumfahrt und Energietechnik.

Für die Optimierung von Fertigungs- und Systemparametern müssen derartige Komponenten hinsichtlich ihrer Homogenität oder Inhomogenität charakterisiert werden, speziell im Fall von Verlaufsentspiegelungen oder Verlaufsspiegeln, die eine orts- und/oder winkelabhängige Ent- oder Verspiegelung oder Teilreflexion aufweisen und mikroskopische Abmessungen besitzen können, z. B. auf Mikrooptiken, Facetten von aktiven Halbleiterbauelementen wie Diodenlasern und LED oder den Endflächen von Lichtleitfasern und optischen Wellenleitern.

Die vorliegende Erfindung ist für diese und auch weitere Messprobleme im Bereich der Charakterisierung von Oberflächen, zum Beispiel von biologischen Materialien, einsetzbar.

Die bekannten optischen Messverfahren zur ortsaufgelösten Messung basieren entweder auf der Verwendung fokussierter Strahlung (typischerweise mit Hilfe sphärischer oder parabolischer Linsen- oder Spiegelsysteme fokussierte Laserstrahlen mit Gaußscher Intensitätsverteilung) oder von Nahfeldoptiken (Scanning Near Field Optical Microscope, SNOM) zur Erreichung einer hohen Ortsauflösung, wobei jeweils aufgrund der Beugung (Strahlparameterprodukt) ein großes Winkelspektrum erzeugt wird. Integriert man bei entsprechenden Messungen über signifikant unterschiedliche Winkelbereiche, entstehen nicht zu vernachlässigende Fehler der gemessenen Reflektivität.

Für orts- und zugleich winkelaufgelöste Messungen ist als Kompromisslösung die schräge Beleuchtung und Detektion bei hinreichend schwacher Fokussierung (und somit geringer Ortsauflösung) bekannt, die beispielsweise in der Ellipsometrie Anwendung findet [M. Erman, J. B. Theeten, Spatially resolved ellipsometry, J. Appl. Phys. 60, 859-873 (1986)].

Bekannt sind auch Verfahren zur ortsaufgelösten Messung der Fresnel-Reflektivität zur Charakterisierung optischer Bauelemente wie Laserdioden. Die Abtastung mit fokussiertem Licht wird in kommerziellen Geräten zur Aufnahme von Gradientenindex-Profilen von GRIN-Linsen und Wellenleitern eingesetzt [A. Pham - Reliable and cost effective optical fiber characterisation, Technology Note TNOTE004.2AN der Firma Exfo Canada].

Bei Verwendung von Immersionsflüssigkeiten können Reflektivitätsunterschiede von < 0.0001 detektiert werden.

Demonstriert wurde ebenfalls die automatisierte Vermessung zweidimensionaler Reflexionsprofile von Dünnschicht- und Gradientenindex-Bauelementen durch Abscannen mit einem fokussierten Laserstrahl [S. Nerreter, R. Grunwald, A. Bärwolff, J. W. Tomm: High-accuracy reflectance mapping of microoptical components - Optical Fabrication and Testing Topical Meeting, Optical Society of America (OFT 2000), Quebec City, Canada, Post Deadline Paper OPD2].

Wie weiterhin bekannt ist, kann die Fokusgröße von Laserstrahlen durch geeignete Polarisationsverteilung und Solid Immmersion Lenses verringert werden [CLEO/Europe 2000, Nizza 2000, Paper CThJ6, Conference Digest, 342].

Die Nutzung aktiver Detektion schwacher Signale mit Lasern oder optischen Verstärkern [CLEO/Europe 2000, Nizza 2000, Paper CFC4, Conference Digest, 370] entspricht ebenfalls dem Stand der Technik.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine Anordnung zu entwickeln, mit denen die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und mit denen durch eine geeignete Beleuchtung und Anordnung der Probe im Strahlengang einer Lichtquelle eine in der Genauigkeit wesentlich verbesserte orts- und zugleich winkelaufgelöste Reflexionsmessung bei gleichzeitig geringerem apparativen Aufwand erzielt wird.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.

Das Verfahren zur orts- und winkelaufgelösten Reflexions messung ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass das zu vermessende Objekt zur Gewährleistung einer hohen Ortsauflösung bei gleichzeitig hoher Winkelauflösung, großem erfassbaren Winkelbereich und geringer Empfindlichkeit gegenüber axialer Depositionierung des Messobjektes mit einer kollimierten Strahlung einer Lichtquelle beleuchtet wird, die mit einem strahlformenden Element wie ein Axicon und mit einer Blende, deren Durchmesser mit dem ersten ringförmigen Minimum der Intensitätsverteilung eines nichtdiffraktiven Strahls übereinstimmt und damit Selbstapodisation ermöglicht, derart geformt wird, dass durch Interferenz von konischen Strahlanteilen ein nichtdiffraktiver Strahl mit extrem kleinen Winkeln gegenüber der optischen Achse erzeugt wird, und wobei das Messobjekt im optischen Nahbereich, also im Bereich mit einer Fresnelzahl groß gegen Eins, positioniert wird.

Die Anordnung zur orts- und winkelaufgelösten Reflexions messung ist dadurch gekennzeichnet, dass in den Strahlengang einer Lichtquelle ein Axicon und eine strahleinengende Blende so eingebracht sind, dass ein zu vermessendes Objekt mit nichtdiffraktiven Strahlen extrem kleiner Winkel gegenüber der optischen Achse beleuchtet wird, wobei der Durchmesser der Blende mit dem ersten ringförmigen Minimum der Intensitätsverteilung des nichtdiffraktiven Strahls übereinstimmt, und dass das zu vermessende Objekt zusammen mit einem Detektor, welcher in einem vom Messobjekt reflektierten Strahl angeordnet ist, in einem definierten und verstellbaren Winkel zur optischen Achse geneigt angeordnet ist.

Zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird nachfolgend in zwei Ausführungsbeispielen einer Anordnung zur orts- und winkelaufgelösten Reflexionsmessung näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer ersten Messanordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 die schematische Darstellung der Strahlverläufe an der Blende gemäß der Anordnung in Fig. 1,

Fig. 3 die schematische Darstellung der Blendenanordnung in den Nullstellen einer Besselverteilung und

Fig. 4 die schematische Darstellung einer zweiten Messanordnung nach der Erfindung.

In der Fig. 1 ist eine erste Anordnung der optischen Komponenten eines Ausführungsbeispieles dargestellt, bei der zur Strahlformung rotationssymmetrische SiO₂-Dünn schicht-Mikroaxicons 3 mit Gaußförmigem Dickenprofil verwendet werden, die durch eine spezielle Aufdampftechnik hergestellt werden (siehe z. B. R. Grunwald, S. Woggon, U. Griebner, R. Ehlert, W. Reinecke, Axial beam shaping with non-spherical microlenses, Jpn. J. Appl. Phys. 37, 3701- 3707, 1998;

R. Grunwald, S. Woggon, R. Ehlert, W. Reinecke, Thin-film microlens arrays with non-spherical elements, Pure Appl. Opt. 6, 663-671, 1997).

Das Dickenprofil wird durch eine Gauß-Verteilung nach der folgenden Gleichung beschrieben:

d(x) = d_max.[1 - exp(-2(r/r₀)^2)]

(d_max = Mittendicke, r = radiale Koordinate, r₀ = Parameter, welcher die Breite des Axicons bei 1/e²-fachem Dickenwert bezogen auf die Mittendicke beschreibt), und wobei beispielsweise die Mittendicke d_max = 3.5 µm und der Parameter r₀ = 300 µm betragen.

Die Anordnung gemäß Fig. 1 besteht im wesentlichen aus einem Laser 1 als Lichtquelle, dem Axicon 3, einer Blende 5, einem zu vermessenden Objekt 6, einem Detektor 10.

Der auf das Mikroaxicon 3 vom Laser 1 auftreffende Gaußstrahl 2 wird zu einem sogenannten Besselstrahl 4 transformiert. Besselstrahlen 4 repräsentieren eine spezielle Lösung der Wellengleichung, die mathematisch durch eine Besselfunktion beschrieben wird. Die Intensitätsverteilung dieses Strahls 4 ist proportional zu seiner Besselfunktion nullter Ordnung.

Durch die Transformation in einen Besselstrahl 4 wird eine periodische Intensitätserhöhung erreicht.

Mit der Blende 5 wird hiervon das zentrale Maximum ausgeblendet und zur Messung verwendet. Dadurch ist eine verbesserte Ortsauflösung gewährleistet. Wesentlich ist dabei, dass der Durchmesser der Blende 5 derart gewählt wird, dass er mit dem ersten ringförmigen Minimum der Besselverteilung exakt übereinstimmt, weil dadurch Selbstapodisation erzielt wird.

Durch die nichtdiffraktive Strahlausbreitung infolge der Interferenz des konischen Strahlanteils mit extrem geringen Winkelunterschieden (kleiner 0,05 Grad) wird eine lang aus gedehnte fokale Zone, je nach verwendeter Art des Axicons 3, über eine Distanz von mehreren Zentimetern erzeugt.

Die Veränderung des Einfallswinkels 7 erfolgt durch die Rotation 11 des Messobjektes 6 und des Detektors 10, wobei zwischen Messobjekt 6 und Detektor 10 ein definiertes Über setzungsverhältnis der Winkelverstellung realisiert ist (1 : 2). Im Ausführungsbeispiel wird das Übersetzungs verhältnis durch ein Riemengetriebe erzielt.

Das System ist gegenüber axialer Depositionierung des Messobjektes 6 sehr unempfindlich und erzielt eine hohe Ortsauflösung.

Das zweite Ausführungsbeispiel basiert auf dem Aufbau des in der Fig. 1 gezeigten winkelaufgelösten Reflexionsmess platzes.

Im zweiten Ausführungsbeispiel sind gemäß der Darstellung in Fig. 3 zusätzlich ein Reflektor 13 sowie eine zusätzliche Blende 14 angeordnet.

Mit diesem Aufbau werden Messungen bei Einfallswinkeln unter 4 Grad möglich. Es wird durch die zusätzliche Blende 14 eine weitere Erhöhung der Ortsauflösung erzielt. Profitiert wird in dieser Anordnung von der Intensitätserhöhung im zentralen Intensitätsmaximum des Besselstrahls 4, da trotz verringerter Messfläche noch ausreichend Signal produziert wird. Die Ortsauflösung ist abhängig vom Abstand zwischen Messobjekt 6 und der zusätzlichen Blende 14 sowie dem Blendendurchmesser.

Es sind weitere Ausführungsformen möglich, die anstelle einer Laserquelle eine kollimierte Lampe mit Farbfiltern oder eine LED verwenden.

Weitere Ausführungsformen können einen integriert-optischen Aufbau unter Verwendung von diskreten Wellenleitern oder wellenleitenden optischen Fasern in Verbindung mit optischen Schaltern ohne mechanische Rotation im System vorsehen.

Durch die Verwendung von polarisierenden Elementen und durchstimmbaren Lichtquellen können mit der Erfindung elliptrometrische Messungen mit Vermeidung der sonst damit verbundenen Nachteile durchgeführt werden.

Es können Winkelbereiche bis nahezu Null Grad erfasst werden.

Bezugszeichenliste

1

Lichtquelle (Laser)

2

Strahl der Lichtquelle

3

Strahlformendes Axicon

4

Geformter Strahl

5

Blende

6

zu vermessendes Objekt (Reflexionsverteilung)

7

Winkel des Messobjekts zur optischen Achse

8

vom Messobjekt reflektierter Strahl

9

durch das Messobjekt transmittierter Strahl

10

Detektor (durch das Übersetzungsverhältnis 1 :

2

mit dem Messobjekt verbunden)

11

Drehbewegung von Messobjekt und Detektor (schematisch)

12

Intensitätsmaximum einer Besselverteilung nullter Ordnung

13

Reflektor

14

zweite Blende (erhöht die Ortsauflösung)

Claims

1. Verfahren zur orts- und zugleich winkelaufgelösten Reflexionsmessung an Objekten mittels eines Detek tors im vom Objekt reflektierten Strahlengang, dadurch gekennzeichnet, dass das zu vermessende Objekt (6) zur Gewährleistung einer hohen Ortsauflösung bei gleichzeitig hoher Winkelauflösung, großem erfassbaren Winkelbereich und geringer Empfindlichkeit gegenüber axialer Depositionierung des Messobjektes (6) mit einer kollimierten Strahlung einer Lichtquelle beleuchtet wird, die mit einem strahlformenden Element wie ein Axicon und mit einer Blende (5), deren Durchmesser mit dem ersten ringförmigen Minimum der Intensitäts verteilung eines nichtdiffraktiven Strahls über einstimmt und damit Selbstapodisation ermöglicht, derart geformt wird, dass durch Interferenz von konischen Strahlanteilen ein nichtdiffraktiver Strahl mit extrem kleinen Winkeln gegenüber der optischen Achse erzeugt wird, und wobei das Messobjekt (6) im optischen Nahbereich, also im Bereich mit einer Fresnelzahl groß gegen Eins, positioniert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als nichtdiffraktive Strahlen (4) an Dünn schichtstrukturen erzeugte Besselstrahlen einge setzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (5) in der ersten Null stelle einer Besselverteilung nullter Ordnung angeordnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Strahlformung rotationssymmetrische SiO₂- Dünnschicht-Mikroaxicons mit gaußförmigem Dicken profil verwendet werden, die durch eine Aufdampf technik hergestellt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformung durch Reflexion an einem Mikro-Axicon-Spiegel vorgenommen wird.

6. Verfahren nach Ansprüch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Strahlengang vor dem Detektor (10) eine zusätzliche Blende (14) und ein Reflektor (13) zur weiteren Erhöhung der Ortsauflösung eingebracht werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Simultanmessung an verschiedenen Orten bzw. bei verschiedenen Wellenlängen ein Array aus Mikroaxicons und/oder Mikrospiegeln in Verbindung mit einem angepassten Blenden- und Detektor-Array verwendet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das zu vermessende Objekt (6) transmittierte Strahl zur Vermessung des Trans missionsgrades des Objektes (6) benutzt wird.

9. Anordnung zur orts- und zugleich winkelaufgelösten Reflexionsmessung, dadurch gekennzeichnet, dass in den Strahlengang (2) einer Lichtquelle (1) ein Axicon (3) und eine strahleinengende Blende (5) so eingebracht sind, dass ein zu vermessendes Objekt (6) mit nichtdiffraktiven Strahlen extrem kleiner Winkel gegenüber der optischen Achse beleuchtet wird, wobei der Durchmesser der Blende (5) mit dem ersten ringförmigen Minimum der Intensitätsverteilung des nichtdiffraktiven Strahls übereinstimmt, und dass das zu vermessende Objekt (6) zusammen mit einem Detektor (10), welcher in einem vom Messobjekt (6) reflektierten Strahl (8) angeordnet ist, in einem definierten und verstellbaren Winkel (7) zur optischen Achse geneigt angeordnet ist.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Axicon (3) durch rotationssymmetrische SiO₂- Dünnschicht-Mikroaxicons mit gaussförmigem Dicken profil gebildet ist, welche durch eine Aufdampf technik hergestellt werden.

11. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im vom Messobjekt (6) reflektierten Strahlengang (8) vor dem Detektor (10) ein Reflektor (13) und eine zusätzliche Blende (14) angeordnet sind.