DE19537706A1

DE19537706A1 - Verfahren und Vorrichtung zur störunempfindlichen analogen Echtzeitpolarimetrie

Info

Publication number: DE19537706A1
Application number: DE1995137706
Authority: DE
Inventors: Lorenz Diener
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-10-11
Filing date: 1995-10-11
Publication date: 1997-04-17

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur extrem schnellen störunempfindlichen analogen Echtzeitpolarimetrie elektromagnetischer, vornehmlich optischer, Strahlung.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Messung von polarisierter elektromagnetischer Strahlung unter Verwendung des beschriebenen Verfahrens.

Durch den kostengünstigen erfindungsgemäßen Ansatz eines Systems von N Detektoren mit polarimetrischer Analogverarbeitung zur Analyse der mittels N Polarisationkomponenten charakterisierten Elliptizität eines elektromagnetischen Hauptstrahls ermöglicht die Erfindung extrem hohe Meßgeschwindigkeiten und Meßgenauigkeiten sowie eine Störunempfindlichkeit, die weit über den derzeitigen Stand der Technik hinausgehen.

Die Erfindung ist insbesondere dort zu verwenden, wo kurze Meßzeiten und/oder hohe Störunempfindlichkeit gefordert sind.

Die Anwendungen der Erfindung erstrecken sich von der Online-Bestimmung der Doppelbrechung von Kunststoffolien und -platten während des Herstellungsprozesses bis hin zur polarimetrischen Analyse von Laserpulsen. Ein Einsatz in der Ellipsometrie der Glasfasertechnik sowie bei der Verfolgung von Prozessen in optisch aktiven Werkstoffen ist absehbar.

Die Analyse des Polarisationszustandes einer Strahlung, d. h. deren Elliptizität und Polarisationsrichtung, erfolgt üblicherweise mittels eines rotierenden Analysators (DE 24 30 521, US 572476), wobei die Intensität der durchgelassenen Strahlung als Funktion des Drehwinkels aufgetragen wird. Eine Fourieranalyse erlaubt die Bestimmung der Elliptizitätsparameter.

Zur Online-Verfolgung, Prozeßcharakterisierung und Messung dynamisch beanspruchter Objekte sowie zur Analyse von Laserpulsen sind diese Verfahren, abgesehen von der Störanfälligkeit, um Größenordnungen zu langsam.

Die mechanische Rotation läßt sich zwar durch eine periodische Drehung der Strahlpolarisation über das Anlegen modulierter elektromagnetischer Felder ersetzen, neben dem hohen technischen Aufwand wird die Meßzeit aber durch die Zeitspanne für Modulation und Auswertung begrenzt. Für viele der genannten Anwendungen schließt sich daher auch eine solche Meßanordnung aus.

Einen Ausweg bieten im Ansatz Anordnungen ohne bewegliche Elemente, d. h. mit mehreren feststehenden Detektoren. Sie basieren auf der Aufspaltung des zu analysierenden Hauptstrahls in mehrere Teilstrahlen bzw. der Plazierung von mehreren Detektoren innerhalb eines Hauptstrahls.

In DE 32 12 809 wird mittels eines Gitters der Hauptstrahl eines Laserpulses über die Beugung in höhere Ordnungen in zwei Teilstrahlen aufgespalten. Dies ermöglicht die gleichzeitige Messung von zwei zueinander senkrecht stehenden Polarisationsrichtungen, reicht aber zur allgemeinen Charakterisierung des Polarisationszustandes nicht aus.

In DE 19 51 920 wird eine Anordnung mit vier festen Detektoren und einer Strahlaufspaltung mittels eines Kegels beschrieben. Ebenso wie eine im IBM Technical Disclosure Bulletin 19 (1976) 1487 veröffentlichte Vierstrahlanordnung ermöglichen diese Meßsysteme prinzipiell die Bestimmung der Stokes Parameter: Die Justierung der vier unabhängigen Strahlen ist aber sehr aufwendig und störanfällig.

Ähnliches gilt für die in DE 39 31 540 offengelegte Analysatoreinrichtung. Zwar wird hierbei eine Aufspaltung in sechs Teilstrahlen beschrieben, für die Charakterisierung der Elliptizität werden jedoch nur vier Teilstrahlen herangezogen. Grundsätzlich ist festzuhalten, daß sich die bekannten strahlaufteilenden Polarimeter auf eine Aufspaltung in wenige Teilstrahlen beschränken, um den technischen Aufwand in Grenzen zu halten. Damit bleiben diese Systeme aber störanfällig und können die Genauigkeit von rotierende Analysatoren nicht erreichen.

Im US Patent 4 158 506 sowie in EP 0 632 256 A1 werden Anordnungen beschrieben, die darauf beruhen, daß mehrere Detektoren innerhalb des Hauptstrahls plaziert werden. Nach dem US-Patent 4158506 mit sechs Detektoren wird hierzu der Hauptstrahl stark aufgeweitet. Die Leistungsdichte und damit die Meßempfindlichkeit nimmt durch die Aufweitung jedoch entsprechend stark ab.

EP 0 632 256 A1 versucht dieser Problematik durch ein Micropolarimeter entgegenzuwirken. So gelingt es, hierbei eine große Anzahl von Detektoren und Analyseelementen innerhalb eines Strahls zu vereinigen. Voraussetzung für exakte Messungen ist aber auch hier, wie bei allen Systemen mit mehreren Detektoren innerhalb eines Strahls, daß ein rundes Strahlprofil mit gleichförmiger Leistungsdichte vorliegt. Dies ist, neben der kosten intensiven Technik, die für eine solches Micropolarimeter zum Einsatz kommen muß, eine erhebliche Einschränkung.

Für justierfreundliche und insgesamt störunanfällige genaue Echtzeitpolarimeter ist zudem die Frage einer analogen polarimetrischen Signalverarbeitung eines N- Detektorsystem zu lösen. Eine serielle Abtastung von "Sample and hold"-Gliedern etwa reicht, infolge der Abtastzeit, für die Untersuchung von sehr schnellen Prozessen nicht aus.

Die aus den oben genannten Polarimeteranordnungen bekannten Ansätze einer analogen Verarbeitung versagen aber bei einer großen Anzahl von Detektoren.

Bezüglich der erwarteten Hauptanwendung der vorliegenden Patentanmeldung, der Online-Überwachung der Doppelbrechung von Filmen, Folien und Platten, ist aus JP P 31 8229/91 (DE 42 10 304 A1) eine rotationsfreie Anordnung bekannt. Im Gegensatz zu dem erfindungsgemäßen Verfahren wird hierbei jedoch mit mehreren unterschiedlichen Nutzstrahlen gearbeitet. Neben dem hohen technischen Aufwand für Justage, Intensitätsüberwachung, Synchronisation und Auswertung macht der in JP P 318229/91 (DE 42 10 304 A1) gewählte Ansatz genau lokalisierte Messungen unmöglich. Zudem ist eine analoge polarimetrische Signalverarbeitung nicht vorgesehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die erwähnten Beschränkungen durch ein Verfahren zur extrem schnellen störunempfindlichen analogen Polarimetrie zu vermeiden und damit innerhalb der Polarimetrie extrem hohe Meßgeschwindigkeiten (µs-Bereich) und Meßgenauigkeiten sowie eine hohe Störunempfindlichkeit zu ermöglichen.

Wesentliche Aufgabe ist dabei entsprechend der aufgezeigten Problematik von bestehenden Polarimetern die Aufspaltung des zu analysierenden Hauptstrahls in N Teilstrahlen gleicher Intensität und gleichen Strahlprofils, die nachfolgende polarimetrische Charakterisierung der Teilstrahlen über N Analysatoren und Detektoren sowie die polarimetrische Analogverarbeitung der N gemessenen Intensitäten.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt nach der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruch 1. Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie sich daraus ergebender Vorrichtungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die Aufspaltung des Hauptstrahls in eine Vielzahl von N Teilstrahlen mit gleicher Intensität, gleichem Strahlprofil und identischen Polarisationseigenschaften die Grundlage für eine hochgenaue, einem Rotationspolarimeter ebenbürtige Strahlanalyse geschaffen wird. Die Intensitätsverluste sind dabei geringer als bei Strahlaufweitung. Durch den im weiteren ermöglichten Einsatz von handelsüblichen Detektoren und Filterelementen ist der technische Aufwand verglichen etwa mit dem genannten Mikropolarimeter gering. Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der analogen fouriermäßigen polarimetrischen Verarbeitung von N Detektorsignalen zu sehen. Einerseits ist das Verfahren nicht durch die Rotationsgeschwindigkeit von mechanisch drehenden Polarisationselementen oder eine serielle Abtastung von "Sample and hold" Gliedern in seiner zeitlichen Auflösung begrenzt und eignet sich somit ideal zur Verfolgung von schnellen, die Polarisation einer elektromagnetischen Strahlung verändernden, Prozessen.

Anderseits werden durch die Einbeziehung einer großen Zahl von Detektorsignalen und Filterrichtungen die Störunempfindlichkeit sowie die Polarisationswinkelauflösung erheblich gesteigert.

Wie Bild 1 zeigt wird hierzu nach Anspruch 1 der zu analysierende Hauptstrahl mittels einer synthetisch hergestellten zweidimensionale Beugungsstruktur, z. B. einem handelsüblich erhältlichen Hologramm, in eine große Zahl von N Teilstrahlen (N < = 4) zerlegt. Nach den Unteransprüchen 2 und 3 kann dies sowohl in Transmission als auch in Reflexion erfolgen. Die Teilstrahlen sind dabei in ihrem Strahlprofil, ihrer Intensität und ihren Polarisationseigenschaften einander gleich.

Im weiteren durchlaufen die N Teilstrahlen N linear polarisationsempfindliche Elemente (Polarisationsfilter, -gitter, . . .) mit Richtungen

mit i = 1, . . . ,N und treffen danach auf jeweils einen Detektor.

Die Signalmodulation, die sich bei einem Rotationspolarimeter im Falle einer Drehung der Polarisationselemente um 180° zeitlich ergibt, ist dadurch in eineräumliche Modulation übergeführt und läßt sich nun parallel und zeitgleich an den N Detektoren abgreifen.

Um diesen zeitlichen Vorteil nicht wieder durch eine serielle Abtastung der Detektoren zu relativieren, werden die Detektorsignale nach den Ansprüchen 4 und 5 analog in Echtzeit parallel fourieranalysiert. Nach Anspruch 5 werden, wie in Bild 2 zu sehen ist jeweils die Signale I_i von N/4, bezüglich ihrer Polarisationsrichtung aufeinanderfolgender, Detektoren zu vier Summensignalen analog zusammengefaßt. Durch die analoge Subtraktion der wiederum bezüglich der mittleren Polarisationsrichtung letzten Summe von der zweiten bzw. der dritten von der ersten erfolgt die Quotientenbildung einer analogen, die Polarisationsrichtung charakterisierenden Division (Gl. 1, 2).

wobei

ϕ = arctan(A) (2)

die Polarisationsrichtung angibt.

Die Grundlage hierfür besteht darin, daß nach der diskreten Fourieranalyse gilt

und damit die analoge Auswertung der Phasenwinkelanalyse nach der 2. Fourierkomponente entspricht.

Durch diese Fourierverarbeitung der nur bautechnisch begrenzten großen Anzahl von Detektorelementen wird eine hohe Winkelauflösung und Störunanfälligkeit erreicht. Durch die zusätzliche analoge Parallelverarbeitung aller auftretenden Signale lassen sich extrem schnelle Prozesse mit minimalen Fehlern untersuchen.

Eine Einrichtung entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 wurde erfolgreich verwirklicht. Der zu analysierende optische Hauptstrahl wird hierbei mittels eines Transmissionshologramms in 36 Teilstrahlen zerlegt. Die analoge Echtzeitfourierverarbeitung nach Anspruch 5 erfolgt unter Einsatz von Operationsverstärkern und analogen Multiplizierern.

Claims

1. Analyseverfahren zur störunempfindlichen Echtzeitpolarimetrie von elektromagnetischer Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß der zu analysierende Strahl mit Hilfe einer synthetisch erzeugten zweidimensionalen Beugungsstruktur in eine große Anzahl N (N < = 4) von Teilstrahlen gleichen Strahlprofils und gleicher Intensität vervielfacht wird, die N linear polarisationsempfindliche Elemente mit Richtungen mit i = 1, . . ., N durchlaufen, auf N Detektoren auftreffen und deren Signale bezüglich α_i fourieranalysiert werden.

2. Analyseverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die synthetisch erzeugte Beugungsstruktur ein Transmissionselement darstellt.

3. Analyseverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die synthetisch erzeugte Beugungsstruktur ein Reflexionselement darstellt.

4. Analyseverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die synthetisch erzeugte zweidimensionale Beugungsstruktur kein zweidimensionales Gitter, sondern eine beliebige andere N Teilstrahle erzeugende zweidimensionale Beugungsstruktur darstellt.

5. Analyseverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die synthetisch erzeugte zweidimensionale Beugungsstruktur so gestaltet ist, daß das erzeugte Beugungsbild N Punkte auf einem Kreis darstellt.

6. Analyseverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die synthetisch erzeugte zweidimensionale Beugungsstruktur so gestaltet ist, daß das erzeugte Beugungsbild N Punkte auf einem Stern darstellt.

7. Analyseverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die synthetisch erzeugte zweidimensionale Beugungsstruktur ein zweidimensionales Gitter darstellt.

8. Analyseverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der N Detektoren analog in Echtzeit parallel fourieranalysiert werden.

9. Analyseverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der N Detektoren analog in Echtzeit parallel fourieranalysiert werden, indem jeweils die Signale von N/4 bezüglich ihrer Polarisationsrichtung aufeinanderfolgender Detektoren zu vier Summensignalen analog zusammengefaßt werden und durch die analoge Subtraktion der wiederum bezüglich der mittleren Polarisationsrichtung letzten Summe von der zweiten bzw. der dritten von der ersten die Quotienten einer analogen, die Polarisationsrichtung charakterisierenden Division gebildet werden.