DE69916716T2

DE69916716T2 - Polarimeter und zugehöriges messverfahren

Info

Publication number: DE69916716T2
Application number: DE69916716T
Authority: DE
Inventors: Eric Compain; Bernard Drevillon
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 1998-02-09
Filing date: 1999-02-01
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2019-02-02
Also published as: JP2001520754A; EP0974042A1; US6177995B1; AU2169599A; DE69916716D1; FR2774766A1; WO1999040399A1; FR2774766B1; EP0974042B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Polarimeter und ein Messverfahren für Polarisationszustände eines Lichtstrahls.
Es sind verschiedene Arten von Polarimetern bekannt, mit denen es möglich ist, alle Polarisationsbestandteile des Lichts zu messen, das heißt die vier Bestandteile des Stokes-Vektors S des Lichts. Insbesondere der Artikel „Multichannel polarization state detectors for time-resolved ellipsometry" von R. M. A. AZZAM, Thin Solid Films, Vol. 234, Seiten 371–374, 1993, präsentiert Techniken, die darin bestehen, einen zu messenden Strahl in mehrere Strahlen zu trennen und danach diese verschiedenen Strahlen parallel zu verarbeiten. Die Anzahl n an Endstrahlen ist mindestens gleich vier, so dass die n gemessenen Stärken der Endstrahlen den Zugang zu den vier Polarisationszuständen des Lichts ermöglichen, das heißt zu den vier Bestandteilen I, Q, U, V des Stokes-Vektors S.
So hat AZZAM im Artikel „Division-of-amplitude photopolarimeter (DOAP) for the simultaneous measurement of four Stokes parameters of light", Optica Acta, Vol. 29, Nr. 5, Seiten 685–689, 1982, ein Polarimeter mit Amplitudenteilung beschrieben, das folgendes Prinzip verfolgt: Der einfallende Lichtstrahl wird zuerst durch einen Strahlenteiler in einen reflektierten Strahl und in einen übertragenen Strahl, danach durch zwei Wallaston-Prismen in vier geteilt.
Solche Polarimeter ermöglichen dank eines Informationsmultiplexings das Messen der Polarisationsbestandteile des Lichts in Echtzeit. Ferner erfordern sie weder Modulation noch einen mobilen Teil. Da jedoch der Strahlenteiler Interferenzwirkungen hervorruft, hängen die Eigenschaften des Polarimeters stark von der Wellenlänge des Lichts ab. Somit sind spektroskopische Anwendungen ausgeschlossen, und es ist im Allgemeinen notwendig, monochromatische Maßnahmen zu ergreifen.
Ein weiterer Nachteil dieser Vorrichtung ist ihre große Empfindlichkeit gegenüber dem Einfallswinkel des Strahls.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Polarimeter von der Art mit Amplitudenteilung, welches in einem sehr großen spektralen Fenster verwendet werden kann.
Das Polarimeter gemäß der Erfindung kann ebenfalls sehr empfindlich gegenüber dem Einfallswinkel sein. Darüber hinaus kann das Polarimeter das Erreichen eines guten Messempfindlichkeitspegels und einer geringen Ausbreitung der relativen Fehler auf die gemessenen Stärken, also eine gute Genauigkeit in Bezug auf den Stokes-Vektor S ermöglichen.
Die Erfindung betrifft auch ein Messverfahren für Polarisationszustände eines Lichtstrahls, das die zuvor genannten Vorteile aufweist.
Zu diesem Zweck besteht die Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung eines Polarimeters, das Folgendes umfasst:

– einen Anfangsseparator, der dazu bestimmt ist, einen zu messenden einfallenden Lichtstrahl, der einen Stokes-Vektor aufweist, in einen reflektierten Strahl und in einen übertragenen Strahl zu trennen, wobei der Separator einen Reflexionskoeffizienten R, ein Paar ellipsometrische Reflexionswinkel (ψ_r, Δ_r), einen Übertragungskoeffizienten T und ein Paar ellipsometrische Übertragungswinkel (ψ_t, Δ_t) aufweist;
– zwei Endseparatoren, die dazu bestimmt sind, jeweils den reflektierten Strahl und den übertragenen Strahl in mindestens zwei Endstrahlen zu teilen,
– Mitteln zum Erfassen, die dazu bestimmt sind, die Stärken der Endstrahlen zu messen, und
– eine Verarbeitungseinheit, die an die Erfassungsmittel angeschlossen ist und die den Stokes-Vektor des zu messenden Lichts erzeugt.

Gemäß der Erfindung umfasst der Anfangsseparator ein Prisma, das keinen Interferenzeffekt induziert und Eigenschaften aufweist, insbesondere einen Brechungsindex n_p und eine Position, die derart sind, dass der übertragene Strahl im Prisma mindestens einer internen Reflexion gemäß einem internen Reflexionswinkel unterworfen wird.
Unter „Prisma" ist ein Feststoff zu verstehen, der erhalten wird, indem eine prismatische Oberfläche durch zwei parallele Ebenen geschnitten wird, wobei die prismatische Oberfläche durch eine fixe Richtungsgerade erzeugt wird, die sich durch konstantes Abstützen auf dem Außenumfang eines flachen Vielecks verschiebt. Die Basis des Prismas wird durch das flache Vieleck begrenzt.
Jede interne Reflexion des übertragenen Strahls im Inneren des Prismas erzeugt eine elementare Phasenverschiebung zwischen dem linearen Polarisationsbestandteil in der Einfallebene (Bestandteil p) und dem linearen Bestandteil, der zur Einfallebene senkrecht ist (Bestandteil s). Die Summe dieser elementaren Phasenverschiebungen ist gleich dem ellipsometrischen Winkel Δ_t.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Polarimeters wird das Fehlen eines Interferenzeffektes während einer internen Reflexion dadurch er reicht, dass die Reflexion eine Totalreflexion ist. Diese Totalreflexion wird dank des Unterschieds zwischen dem Brechungsindex des Prismas und dem Brechungsindex der Luft und dank des Einfalls des übertragenen Strahls auf das Diopter des Prismas erreicht, auf dem die interne Reflexion erfolgt.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Polarimeters sind die Diopter des Prismas, auf denen die internen Reflexionen erfolgen, mit einer dicken absorbierenden Schicht überzogen. Unter „dicker absorbierender Schicht" ist eine Schicht zu verstehen, die aus einem nichtdielektrischen Material besteht, mit einer Dicke in der Größenordnung von einigen Längen Penetration (wobei letztere als Kehrwert der Absorption definiert wird).
Die Endseparatoren trennen vorteilhafterweise jeweils den reflektierten Strahl und den übertragenen Strahl in zwei Endstrahlen mit unterschiedlichen linearen Polarisationen. Die Mittel zum Erfassen stellen somit vier gemessene Stärken bereit, von denen ausgehend die Verarbeitungseinheit die Bestandteile des Stokes-Vektors S berechnet. Bevorzugterweise sind die linearen Polarisationen orthogonal, wobei es sich bei den Endseparatoren um Wallaston-Prismen handelt. Ferner ist von Interesse, dass die Wallaston-Prismen in Bezug auf die Einfallsebene in 45° ausgerichtet sind. Andere Arten von Polarisatoren, welche zwei orthogonale lineare Polarisationen eines erhaltenen Strahls trennen, eignen sich ebenfalls als Endseparatoren. Solche Elemente ermöglichen es, die Unabhängigkeit in Bezug auf die Wellenlänge zu bewahren.
Die Mittel zum Erfassen bestehen zum Beispiel aus einer Anordnung von Photodetektoren, die jeweils den Endstrahlen zugeordnet sind.
Im Gegensatz zum Polarimeter mit Amplitudenteilung, das einen Strahlenteiler verwendet, benötigt das Polarimeter gemäß der Erfindung kei nerlei Oberflächenbehandlung, welche Interferenzeffekte erzeugt, und kann somit gegenüber der Wellenlänge sehr unempfindlich sein. Außerdem ermöglicht das Fehlen eines Interferenzüberzugs auch eine relative Unempfindlichkeit gegenüber dem Einfallswinkel des Strahls, der auf den Anfangsseparator auftrifft. Der Einfluss des Einfallswinkels wird vorzugsweise durch eine geeignete Wahl des Brechungsindexes n_p des Prismas, seiner geometrischen Eigenschaften und des Wertes des Einfallswinkels reduziert.
Das Polarimeter gemäß der Erfindung bietet auch dahingehend Vorteile, dass das Polarimeter eine kompakte Form aufweisen kann, was für Verwendungen vor Ort sehr wichtig ist, und dass das Polarimeter keine teuren optischen Bestandteile aufweisen muss.
In einer ersten Anwendungsgruppe ist das Polarimeter in ein herkömmliches Ellipsometer so eingebaut, dass die Messgenauigkeit verbessert und das Anwendungsgebiet auf depolarisierende Milieus ausgeweitet wird.
In einer zweiten Anwendungsgruppe wird das Polarimeter als unabhängiger Bestandteil, zum Beispiel in der Astrophysik, verwendet.
In einer dritten Anwendungsgruppe ist das Polarimeter einem Mueller-Ellipsometer zugeordnet. Es ermöglicht es, Messungen auf rauen Oberflächen oder besonderen Systemen durchzuführen, einschließlich vor Ort und in Echtzeit. Unterschiedliche Anwendungsgebiete schließen die Behandlung von beliebigen Oberflächen (Stahl und Metalle...), das Erfassen von Metallobjekten (militärische Anwendungen...), die Untersuchung von anisotropen Milieus (Supraleitern...), das Erfassen und die Charakterisierung von Pulver (Granulometrie), Umweltuntersuchungen (Aerosole...) und verschiedene medizinische Anwendungen ein.
Die mathematischen Prinzipien, die dem Polarimeter zugrunde liegen, sind weiter unten dargelegt. Diese Prinzipien stellen insbesondere nützliche Informationen für die Optimierung der Parameter des Polarimeters bereit, so dass eine geringe Abhängigkeit vom Einfallswinkel, ein guter Messempfindlichkeitspegel und/oder eine geringe Ausbreitung der relativen Fehler auf die Stärken während der Berechnung des Stokes-Vektors gewährleistet werden.
Da die Anzahl der gemessenen Stärken i_K gleich n (n ≥ 4) ist, wird das Polarimeter durch eine Matrix A mit den Abmessungen n × 4 dargestellt, welche folgende Beziehung darstellt (wobei „^T" den Transpositionsoperator bezeichnet): (i1 i2 i3 ... in)T = AS
Für den Fall, dass die Anzahl n an Endstrahlen gleich 4 ist, ergibt sich somit wie folgt, wobei A eine reale Matrix 4 × 4 ist: S = A–1·(i1 i2 i3 i4)T
Vorzugsweise wird die Konditionierung s(A) der Matrix A, die wie folgt gegeben ist, maximiert:
worin λ₁ und λ₄ der kleinste und der größte Eigenwert der Matrix A^TA sind. Somit wird die Ausbreitung der relativen Fehler auf die Stärken nach der Multiplikation durch die Matrix A^–1 minimiert.
Ferner wird vorteilhafterweise die Norm der Matrix A auf einem ausreichend großen Wert aufrechterhalten. Somit wird ein guter Empfindlich keitspegel bewahrt, da eine bedeutende Fraktion der Lichtstärke verwendet werden kann.
Vorzugsweise wird die Funktion δ(A) minimiert, die gegeben ist durch:
worin A_ij die Bestandteile der Matrix A und Φ₁ den Einfallswinkel auf das Prisma des Anfangsseparators bezeichnet.
Da die Mittel zum Erfassen aus vier Photodetektoren bestehen, welche die jeweiligen Verstärkungen G₁, G₂, G₃ und G₄ aufweisen, hat die Matrix A folgenden Wert:
mit
Da die Verstärkungen G_k der Photodetektoren zum Beispiel identisch sind, ist die Konditionierung von A optimal, wenn: R = T ≈ 1/2 Ψr = Ψt = π/8 modulo π/4 Δr – Δt = π/2 modulo π
In Abwesenheit eines Interferenzeffektes ist Δ_r gleich null und das Optimum entspricht somit: Δt = π/2 modulo π.
Vorzugsweise ist somit die Summe der elementaren Phasenverschiebungen durch interne Reflexionen nahe bei π/2. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Empfindlichkeit gegenüber dem Einfallswinkel Φ₁ auf das Prisma des Anfangsseparators reduziert, indem die Empfindlichkeit gegenüber dem Einfallswinkel auf jedes Diopter, das einer internen Reflexion entspricht, minimiert wird. Somit sind in der ersten Ausführungsform mit internen Totalreflexionen die internen Reflexionswinkel Φ₃ optimaler Weise gleich dem Winkel Φ_m, für welchen die elementaren Phasenverschiebungen Δ ein Maximum Δ_m, aufweisen:
Im Allgemeinen ist es notwendig, zwischen einer guten Konditionierung s(A) und einer geringen Empfindlichkeit δ(A) der Matrix A zu wählen. Gemäß den mit den Messungen in Zusammenhang stehenden Erfordernissen kann es klug sein, einem dieser beiden Kriterien dem anderen gegenüber den Vorzug zu geben. Vorteilhafterweise ist s(A) größer als 0,3 (gute Konditionierung) und/oder δ(A) ist kleiner als 1 (geringe Empfindlichkeit gegenüber dem Einfallswinkel).
In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eine der internen Reflexionen im Prisma des Anfangsseparators eine Totalreflexion. Es ist somit von Interesse, dass die internen Reflexionswinkel Φ₃, die den Totalreflexionen entsprechen, näherungsweise folgende Beziehung erfüllen:
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eine der internen Reflexionen im Prisma des Anfangsseparators eine Reflexion auf einer dicken absorbierenden Schicht.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform des Prismas weist dieses eine Dreiecksbasis auf, die eine erste Seite, eine zweite Seite, die einen ersten Öffnungswinkel mit der ersten Seite bildet, und eine dritte Seite aufweist, die mit der zweiten Seite einen zweiten Öffnungswinkel bildet, wobei die erste, zweite und dritte Seite der Basis jeweils der ersten, zweiten und dritten Fläche des Prismas zugeordnet sind. Da der einfallende Strahl auf die erste Fläche gemäß einem Einfallswinkel parallel zur Basis auftrifft und auf der ersten Fläche in den reflektierten Strahl und den übertragenen Strahl getrennt wird, erfährt der übertragene Strahl die interne Reflexion auf der zweiten Fläche und tritt über die dritte Fläche aus.
In bevorzugten Beispielen, welche der Ausführungsform entsprechen, bei der das Prisma eine Dreiecksbasis aufweist, ist die interne Reflexion eine Totalreflexion, liegt der Brechungsindex des Prismas zwischen 2,5 und 2,0 auf einem Wellenlängenbereich zwischen 0,4 μm und 14 μm und betragen der Einfallswinkel und der erste und der zweite Öffnungswinkel jeweils auf einen Grad genau:

– in einem ersten bevorzugten Beispiel: 81°, 57° und 33°, und
– in einem zweiten bevorzugten Beispiel: 48°, 51° und 33°.

In einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform des Prismas weist dieses eine Vieleckbasis auf, die mindestens eine erste Seite, wobei eine zwei te Seite mit der ersten Seite einen Öffnungswinkel bildet, eine dritte Seite parallel zur ersten Seite und eine vierte Seite parallel zur zweiten Seite aufweist, wobei die erste, zweite, dritte und vierte Seite der Basis jeweils der ersten, zweiten, dritten und vierten Fläche des Prismas zugeordnet sind. Der einfallende Strahl trifft auf die erste Fläche mit einem Einfallswinkel parallel zur Basis auf und wird auf der ersten Fläche in den reflektierten Strahl und den übertragenen Strahl getrennt, wobei der übertragene Strahl jeweils einer ersten und einer zweiten der internen Reflexionen auf der zweiten und auf der vierten Fläche unterworfen wird und über die dritte Fläche austritt.
Gemäß einem bevorzugten Beispiel dieser Ausführungsform mit Vieleckbasis, liegt der Brechungsindex des Prismas zwischen 1,85 und 1,75 auf einem Wellenlängenbereich zwischen 0,4 und 2 μm und der Einfallswinkel und der Öffnungswinkel betragen jeweils bis auf einen Grad genau 78,5° und 68°.
Die Erfindung betrifft auch ein Messverfahren für Polarisationszustände eines Lichtstrahls, der einen Stokes-Vektor aufweist, bei dem:

– man den zu messenden Lichtstrahl in einen reflektierten Strahl und einen übertragenen Strahl trennt,
– man den reflektierten Strahl und den übertragenen Strahl in mindestens zwei Endstrahlen trennt,
– man die Stärken der Endstrahlen misst und
– den Stokes-Vektor des zu messenden Lichts ausgehend von den Stärken erzeugt.

Gemäß der Erfindung wird der übertragene Strahl mindestens einer internen Reflexion im Prisma unterworfen, ohne einen Interferenzeffekt zu induzieren.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf besondere Ausführungsformen und Formen der Umsetzung, die beispielhaft angeführt und in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, besser verstanden werden. Darin zeigen:
1 eine erste Ausführungsform eines Polarimeters gemäß der Erfindung und
2 eine zweite Ausführungsform eines Polarimeters gemäß der Erfindung.
In den 1 und 2 sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Ein Polarimeter 1, das in 1 dargestellt ist, umfasst ein Prisma 2 mit einer Dreiecksbasis 16. Das Prisma 2 umfasst drei Flächen 11, 12 und 13 (senkrecht zur Ebene des Zeichnungsblatts), welche jeweils Seiten der Dreiecksbasis 16 entsprechen. Die Flächen 11 und 12 bilden untereinander einen Winkel Φ₂, während die Flächen 12 und 13 untereinander einen Winkel Φ₅ bilden. Das Prisma 2 umfasst keine Behandlungsoberfläche und weist einen Brechungsindex n_p auf. Es ist dazu bestimmt, auf seiner Fläche 11 einen einfallenden Strahl 21 in einem Einfallswinkel Φ₁ zu empfangen und diesen einfallenden Strahl in einen reflektierten Strahl 22 und einen übertragenen Strahl 23 zu trennen. Die Winkel Φ₁, Φ₂ und Φ₅ und der Brechungsindex n_p werden so gewählt, dass der übertragene Strahl 23 auf die Fläche 12 des Prismas 2 in einem Einfallswinkel Φ₃ auftrifft, vollständig von dieser Fläche 12 reflektiert wird und über die Fläche 13 senkrecht zur Fläche 13 austritt.
Das Polarimeter 1 umfasst auch zwei Wallaston-Prismen 3 und 4, die in 45° zur Einfallsebene ausgerichtet und dazu bestimmt sind, jeweils den reflektierten Strahl 22 und den übertragenen Strahl 23 aufzunehmen und diese jeweils in zwei Endstrahlen zu trennen, die jeweils mit 25 und 26 für den reflektierten Strahl 22 und mit 27 und 28 für den übertragenen Strahl 23 gekennzeichnet sind.
Photodetektoren 5 bis 8 sind so angeordnet, dass sie jeweils die Stärken i₁–i₄ der Endstrahlen 25 bis 28 messen. Sie sind mit einer Verarbeitungseinheit 9 verbunden, welche den Stokes-Vektor S des Lichts des einfallenden Strahls 21 ausgehend von seinen Stärken erzeugt. Die Photodetektoren 5 bis 8 sind zum Beispiel Photomultiplikatorröhren.
In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht das Prisma 2 aus ZnS, optimiert für Anwendungen im sichtbaren Bereich und im Infrarotbereich, von 0,4 μm (n_p = 2,41) bis 14 μm (n_p = 2,15).
Gemäß einem ersten Beispiel dieser vorteilhaften Ausführungsform gilt Folgendes:
Φ₁ = 81,2°, Φ₂ = 56,9°, Φ₅ = 32,8°.
Dieses Beispiel mit streifendem Einfall ist von sehr großer Effizienz (Konditionierung s(A) = 0,57) und von einer mittleren Empfindlichkeit gegenüber dem Einfallswinkel (Empfindlichkeit δ(A) = 2,74).
Gemäß einem zweiten Beispiel dieser vorteilhaften Ausführungsform gilt Folgendes:
Φ₁ = 48,4°, Φ₂ = 50,8°, Φ₅ = 32,8°.
Dieses Beispiel ergibt eine relativ korrekte Effizienz (Konditionierung S(A) = 0,2) und eine sehr geringe Empfindlichkeit gegenüber dem Einfallswinkel δ(A) = 0,33). Ferner ist diese Konfiguration vom geometrischen Standpunkt aus betrachtet sehr praktisch.
Ein anderes Polarimeter 31 umfasst ein Prisma 32 mit einer Vieleckbasis 46. Das Prisma 32 umfasst fünf Flächen 41 bis 45, welche sich auf Seiten der Basis 46 senkrecht zur Basis 46 stützen. Die Flächen 41 und 43 sind parallel zueinander, genau so wie die Flächen 42 und 44. Die Fläche 43 bildet mit der Fläche 44 einen Winkel Φ₂. Die Fläche 41 und die Fläche 42 bilden somit auch diesen Winkel Φ₂, wobei die Kante, die von den Flächen 41 und 42 gebildet wird, abgeschnitten ist und so die fünfte Fläche 45 bildet.
Im Betrieb empfängt die Fläche 41 den einfallenden Strahl 21 und trennt diesen in einen reflektierten Strahl 22 und einen übertragenen Strahl 23. Der übertragene Strahl 23 trifft in einem Einfallswinkel Φ₃ auf die Fläche 42 auf und wird dort vollständig reflektiert, danach trifft er im selben Einfallswinkel Φ₃ auf die Fläche 44, auf der er vollständig reflektiert wird. Im Anschluss daran tritt er über die Fläche 43 aus. Die Fläche 45 ist eventuell matt oder geschwärzt, um den von der Fläche 43 kommenden Störstrahl aufzuhalten.
Die anderen Elemente des Polarimeters 31 ähneln jenen des Polarimeters 1 und funktionieren in identischer Weise.
In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel, das für Anwendungen im Sichtbereich und im Nahinfrarotbereich bestimmt ist, besteht das Prisma 32 aus einem Glasmaterial, zum Beispiel von der Art, wie es unter der Bezeichnung FBS E00-46 von CORNING S. A. vertrieben wird. Sein Brechungsindex n_p sinkt somit um 1,83 für 0,4 μm auf 1,76 für 2 μm. Bei einer Wellenlänge von 0,488 μm, wobei 10% des übertragenen Strahls 23 im Prisma 32 absorbiert werden, gestaltet sich das Prisma 32 des Beispiels wie folgt:
n_p = 1,812, Φ₁ = 78,5°, Φ₂ = 68°.
Die Matrix A_exp, die experimentell gemessen wird, beträgt somit:
Sie ist ihrem theoretischen Wert sehr nahe. Ferner beträgt der Winkel Φ₃ annähernd 35°. Es wird eine sehr gute Effizienz erhalten (gemessene Konditionierung s(A_exp) = 0,5 und theoretische Konditionierung s(A) = 0,56). Ferner ist die theoretische Empfindlichkeit δ(A_exp) gegenüber dem Einfallswinkel gleich 2,6. Die Verringerung des Einfallswinkels Φ₁ ermöglicht die Reduktion der Empfindlichkeit gegenüber dem Einfallswinkel, wobei die Effizienz verringert wird.
Ferner führt die Streuung des Brechungsindexes von 0,4 μm auf 2 μm zu einer Schwankung von einigen Prozent bei der Matrix A. Daher muss die Kalibrierung mit unterschiedlichen Wellenlängen erfolgen. Der übertragene Strahl 23 weist eine kleine räumliche Streuung auf, die mit dem Großteil der optischen Fenster von Polarisatoren und Photodetektoren kompatibel ist, die in einem angemessenen Abstand vom Prisma 32 angeordnet sind.
Zum Vergleich entspricht ein Polarimeter mit Amplitudenteilung, der einen Strahlenteiler umfasst, der mit einem Dielektrikum oder einem Halbleiter überzogen ist (K. Brudzewski, Journal of Modern Optics, Vol. 38, Seite 889, 1991), jeweils einer Konditionierung in der Größenordnung von 0,1 bis 0,2 und der Größenordnung von 0,3 bis 0,4 und einer Empfindlichkeit gegenüber dem Einfallswinkel in der Größenordnung von 2,6. Das Polarimeter gemäß der Erfindung ermöglicht somit eine deutliche Verbesserung dieser Leistungen.

Claims

Polarimeter (1, 31) mit – einem Anfangsseparator, der dazu bestimmt ist, einen zu messenden einfallenden Lichtstrahl (21), der einen Stokes-Vektor (S) hat, in einen reflektierten Strahl (22) und in einen übertragenen Strahl (23) zu trennen, wobei der Separator einen Reflexionskoeffizienten (R), ein Paar ellipsometrische Reflexionswinkel (ψ_r, Δ_r), einen Übertragungskoeffizienten (T) und ein Paar ellipsometrische Übertragungswinkel (ψ_t, Δ_t) hat, – zwei Endseparatoren (3, 4), die dazu bestimmt sind, jeweils den reflektierten Strahl (22) und den übertragenen Strahl (23) in mindestens zwei Endstrahlen (25–28) zu teilen, – Mitteln zum Erfassen (5–8), die dazu bestimmt sind, die Stärken (i₁–i₄) der Endstrahlen zu messen, und – einer Verarbeitungseinheit (9), die an die Erfassungsmittel angeschlossen ist, die den Stokes-Vektor (S) des zu messenden Lichts erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass der Anfangsseparator ein Prisma (2, 32) umfasst, das keinen Interferenzeffekt induziert und Eigenschaften hat, insbesondere einen Brechungsindex (n_p), und eine Position hat, die derart sind, dass der übertragene Strahl (23) im Prisma (2, 32) mindestens einer internen Reflexion gemäß einem internen Reflexionswinkel (ϕ₃) unterworfen wird.
Polarimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der im Prisma (2, 32) des Anfangsseparators erzeugten internen Reflexionen eine Totalreflexion ist.
Polarimeter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel der internen Reflexion (ϕ₃), die den Totalreflexionen entsprechen, näherungsweise folgende Beziehung erfüllen:
Polarimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der im Prisma des Anfangsseparators auftretenden internen Reflexionen eine Reflexion auf einer dicken absorbierenden Schicht ist.
Polarimeter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prisma (2) eine Dreiecksbasis (16) hat, die eine erste Seite, eine zweite Seite, die einen ersten Öffnungswinkel (ϕ₂) mit der ersten Seite bildet, und eine dritte Seite hat, die mit der zweiten Seite einen zweiten Öffnungswinkel (ϕ₅) bildet, wobei die erste, zweite und dritte Seite der Basis (16) jeweils der ersten, zweiten und dritten Fläche (11–13) des Prismas (2) zugeordnet sind, wobei der einfallende Strahl (21) auf der ersten Fläche (11) mit einem Einfallswinkel (ϕ₁) parallel zur Basis (16) auftrifft und auf der ersten Fläche (11) in den reflektierten Strahl (22) und den übertragenen Strahl (23) getrennt wird und wobei der übertragene Strahl die interne Reflexion auf der zweiten Fläche (12) erfährt und über die dritte Fläche (13) austritt.
Polarimeter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die interne Reflexion total ist, wobei der Brechungsindex (n_p) des Prismas zwischen 2,5 und 2,0 auf einem Wellenlängenbereich zwischen 0,4 μm und 14 μm liegt, und der Einfallswinkel (ϕ₁) und der erste und der zweite Öffnungswinkel (ϕ₂, ϕ₅) jeweils auf einen Grad genau 81°, 57° und 33° betragen.
Polarimeter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die interne Reflexion komplett ist, wobei der Brechungsindex (n_p) des Prismas zwischen 2,5 und 2,0 auf einem Wellenlängenbereich zwischen 0,4 μm und 14 μm liegt, und der Einfallswinkel (ϕ₁) und der erste und der zweite Öffnungswinkel (ϕ₂, ϕ₅) jeweils auf einen Grad genau 48°, 51° und 33° betragen.
Polarimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Prisma (32) eine Vieleckbasis (46) hat, die mindestens eine erste Seite umfasst, wobei eine zweite Seite mit der ersten Seite einen Öffnungswinkel (ϕ₂) bildet, und eine dritte Seite parallel zur ersten Seite und eine vierte Seite parallel zur zweiten Seite hat, wobei die erste, zweite, dritte und vierte Seite der Basis (46) jeweils der ersten, zweiten, dritten und vierten Fläche (41–44) des Prismas (32) zugeordnet sind, wobei der einfallende Strahl (21) auf der ersten Fläche (41) mit einem Einfallswinkel (ϕ₁) parallel zur Basis (46) auftrifft und auf der ersten Fläche in den reflektierten Strahl (22) und den übertragenen Strahl (23) getrennt wird, und wobei der übertragene Strahl jeweils einer ersten und einer zweiten der internen Reflexionen auf der zweiten und vierten Fläche (42, 44) unterworfen wird und über die dritte Fläche (43) austritt.
Polarimeter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die internen Reflexionen total sind, wobei der Brechungsindex (n_p) des Prismas (32) zwischen 1,85 und 1,75 auf einem Wellenlängenbereich zwischen 0,4 und 2 μm liegt, und dass der Einfallswinkel (ϕ₁) und der Öffnungswinkel (ϕ₂) jeweils bis auf einen Grad genau 78,5° und 68° betragen.
Messverfahren für Polarisationszustände eines Lichtstrahls (21), der einen Stokes-Vektor (S) hat, bei dem: – man den zu messenden Lichtstrahl in einen reflektierten Strahl (22) und einen übertragenen Strahl (23) trennt, – man den reflektierten Strahl (22) und den übertragenen Strahl (23) in mindestens zwei Endstrahlen (25–28) trennt, – man die Stärken (i₁–i₄) der Endstrahlen (25–28) misst und – den Stokes-Vektor (S) des zu messenden Lichts ausgehend von den Stärken erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass man den übertragenen Strahl (23) mindestens einer internen Reflexion an einem Prisma (2, 32) unterwirft, ohne einen Interferenzeffekt zu induzieren,