EP1468244A2 - Interferometrische optische anordnung - Google Patents

Interferometrische optische anordnung

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EP1468244A2
EP1468244A2 EP03701534A EP03701534A EP1468244A2 EP 1468244 A2 EP1468244 A2 EP 1468244A2 EP 03701534 A EP03701534 A EP 03701534A EP 03701534 A EP03701534 A EP 03701534A EP 1468244 A2 EP1468244 A2 EP 1468244A2
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EP
European Patent Office
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intensity
components
polarization
diffraction grating
interference signal
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03701534A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thilo Weitzel
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CAMPUS TECHNOLOGIES AG
Original Assignee
Scinex AG
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02055—Reduction or prevention of errors; Testing; Calibration
    • G01B9/02075—Reduction or prevention of errors; Testing; Calibration of particular errors
    • G01B9/02078—Caused by ambiguity
    • G01B9/02079—Quadrature detection, i.e. detecting relatively phase-shifted signals
    • G01B9/02081—Quadrature detection, i.e. detecting relatively phase-shifted signals simultaneous quadrature detection, e.g. by spatial phase shifting
    • G—PHYSICS
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/22—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring depth
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
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    • G01B9/02022—Interferometers characterised by the beam path configuration contacting one object by grazing incidence
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    • G01B2290/30—Grating as beam-splitter
    • G—PHYSICS
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    • G01B2290/00—Aspects of interferometers not specifically covered by any group under G01B9/02
    • G01B2290/70—Using polarization in the interferometer

Definitions

  • the invention relates to dispersive interferometric optical devices which comprise a diffraction grating and measurement methods which use the special properties of these devices with respect to the relative phase positions of the two polarization components of the detected light.
  • the invention further encompasses the use of these devices and methods
  • the most important parameter that determines the diffraction efficiency is the profile depth of a diffraction grating working in reflection or, more generally, the modulation stroke of any periodic diffraction structure or hologram.
  • the profile depth must therefore be controlled with great accuracy when manufacturing or testing such elements.
  • Fig. 1 shows the surface of a sinusoidal diffraction grating (G) and the directions of an incident collimated light beam (I), the reflected beam (0) and the diffracted beam (-1) with the associated angles ( ⁇
  • the designations "0" and "-1" stand for the zeroth and first diffraction order, respectively. No further diffraction orders appear in the technically advantageous geometry shown.
  • the equivalence theorem can be easily understood if the respective periodic grating profile is represented as a Fourier series and the interaction of the incident light with the respective components of the Fourier series.
  • the grating period itself defines the main component of the Fourier series and is therefore responsible for the first diffraction order, the other components generate the higher diffraction orders. If the geometry does not allow higher diffraction orders, the corresponding components of the Fourier series play no role and the grating behaves like a sinusoidal grating with an effective optical profile depth corresponding to the main component of the Fourier series. It is therefore possible to characterize such gratings largely by an effective optical profile depth.
  • FIG. 2 shows the diffraction efficiency to be expected for such a grating made of an electrically highly conductive material, such as a holographically produced gold-vapor-deposited grating as a function of the relative profile depth.
  • the relative profile depth is the ratio of the actual profile depth to the spatial period of the grid.
  • TE-polarized light E-field component parallel to the grating lines
  • TM-polarized light E-field component perpendicular to the grid lines
  • TE-polarized light in contrast to TM-polarized light, only alternates with part of the actual grating profile. interaction can occur, since electrons in the upper layers of the lattice profile ie in the tips of the profile are only movable along the lattice lines.
  • FIG. 2 initially shows a rapid increase in the efficiency for TM-polarized light with increasing relative profile depth, while the efficiency for TE-polarized light increases only slowly.
  • the efficiency for TM polarization reaches a maximum at a relative profile depth of approx. 0.32, then drops again as a result of the "overmodulation" to a minimum at approximately twice the profile depth and then strives for a further maximum while the TE component is still slowly approaching its first maximum.
  • Diffraction gratings or arrangements which show the same diffraction efficiency for TM and TE polarized light are of particular technical interest.
  • the intensity of the incident radiation can then be measured independently of the respective polarization.
  • a grid is characterized by a relative profile depth at which the curves for the TM and TE efficiency intersect, that is to say in the example shown at relative profile depths of approximately 0.66 or approximately 0.83.
  • the determination of the effective optical profile depth of a grating is therefore of particular interest for both manufacturers and users of diffraction gratings.
  • raster tunnel and raster force microscopes are also currently being used used to measure grid profiles directly.
  • the determination of the profile depth based on the measurement of the different intensities is relatively imprecise, if not very high demands are made on the precision of the measuring apparatus and its calibration.
  • the present invention relates to an interferometric arrangement which relates the optical profile depth of a diffraction grating to the relative phase shift of the two measurement signals recorded for the different polarization directions, which are generated when the optical path lengths are varied.
  • Variants of this arrangement can therefore be used equally for measuring the profile depth of a grating or - if the properties of the grating are known - for measuring changes in the optical path length.
  • the path length measurement also allows the determination of refractive index changes.
  • the arrangement can be used as a spectrometer, which, depending on the wavelength, not only absorbs a sample that has been irradiated, but also the spectral variation of the refractive index and possibly polarization-dependent parameters, such as optical activity (rotation the polarization) or an anisotropy of the refractive index (birefringent material).
  • a spectrometer which, depending on the wavelength, not only absorbs a sample that has been irradiated, but also the spectral variation of the refractive index and possibly polarization-dependent parameters, such as optical activity (rotation the polarization) or an anisotropy of the refractive index (birefringent material).
  • volume structures i.e. Layer systems or volume holograms occur with precisely corresponding phase shifts as a result of the refractive index dependency of the phase jump upon reflection at or transmission through a surface.
  • the relationship can also be derived from the dispersion relations: Different spectral properties - as in this case with regard to the TM and TE components - must have a corresponding effect on the relative phase position of the respective reflected or diffracted rays. This connection also suggests the opposite: that with the same efficiencies i.e. same spectral properties the relative phase shift disappears.
  • Such relative phase shifts can be determined very precisely with the help of an interferometric setup if the possibility is provided to measure TM and TE components individually or independently of one another.
  • interferometric arrangement is of minor importance, both the measurement of a fixed spatial interference pattern with corresponding fixed path length differences and the dependence of the intensity on a path length change in a Michelson, Mach-Zehnder or Fabry-Perot-like arrangement can be used become.
  • TM and TE components periodically occurring maxima and minima of the intensity depending on the path length differences in the interferometer can be measured, which show a phase shift dependent on the effective optical profile depth. This phase shift can be determined very precisely with little effort, in particular the determination of the phase shift does not require the measurement of absolute intensities or intensity ratios and it is very robust against various disturbances, such as a constant background or noise superimposed on the measurement signals.
  • Michelson interferometers are known for use as a path length sensor, which, with the aid of birefringent elements and polarization-dependent measurement of the interference signal, deliver two signals which are phase-shifted by 90 °.
  • One possibility is an opposing circular polarization of the beams brought into interference from the two arms of the interferometer by means of suitable birefringent optical elements.
  • a polarizing beam splitter two linearly polarized components can be obtained, the intensity profile of which has a phase shift of 90 ° when the path length changes.
  • an arrangement according to the invention for path length measurement for example according to FIG. 6b, has significant advantages.
  • a collimated, monochromatic light beam first falls through a suitable aperture (A) onto a non-polarizing beam splitter (np BS).
  • the incident beam is either non-polarized or polarized at approximately 45 °.
  • the incident beam shows in relation to the Dinate system of the diffraction grating (G) each TE and TM components, which are equally divided by the non-polarizing beam splitter on the arms of the interferometer.
  • One arm of the interferometer is closed by a mirror (M), which throws the beam back to the beam splitter.
  • the second arm of the interferometer is closed by the diffraction grating (G) to be examined in a Littrow or autocollimation arrangement, ie the beam diffracted by the grating is thrown back to the beam splitter. With the help of additional optical elements, the reflected beam or a beam diffracted at a different angle could also be detected.
  • G diffraction grating
  • the optical path length of the first arm can be changed in a defined manner by a linear actuator (L), which can move the mirror (M) along the optical axis.
  • L linear actuator
  • M mirror
  • the optical path length of the second arm of the interferometer to the grating remains constant, but is effectively different due to the phase effect of the diffraction grating shown above for the two components of the polarization.
  • the partial beams from the two arms of the interferometer are again superimposed by the non-polarizing beam splitter (np BS) and reach the polarizing beam splitter (p BS), which separates TE and TM components and supplies separate photodetectors (D1, D2).
  • np BS non-polarizing beam splitter
  • p BS polarizing beam splitter
  • D1, D2 separate photodetectors
  • the intensities of the interference signals for TE (Sig. TE) and TM (Sig. TM) components are thus recorded independently of one another.
  • further optical components may be required, such as the collimator (C) shown.
  • the detector signals are fed to a measuring arrangement which - for example by means of numerical methods - determines the phase shift sought.
  • FIG. 4 shows an example of the signals of the two detectors (Sig. TM, Sig TE) depending on the path length difference introduced by the linear actuator.
  • the signals are sinusoidal and show a period corresponding to half the wavelength of the monochromatic light used and a phase shift Exercise of the two periodic interference signals depending on the effective profile depth of the diffraction grating.
  • the phase shift of the signals is therefore a measure of the profile depth of the grating. This profile depth can therefore be determined with great accuracy using such measurement data, even if neither the intensity measurement nor the path length scale are calibrated to absolute values.
  • the angle & which is a measure of the current phase angle, can be recognized reliably even with signals of unequal amplitude and in the presence of noise and offsets.
  • FIG. 6a shows a particularly advantageous technical embodiment of an arrangement according to the invention, which uses the diffraction grating at the same time as a beam splitter and for generating the phase shifts.
  • this arrangement also advantageously allows the phase angle to be continuously rotated by a lateral movement of the grating, i.e. without actually changing the path length.
  • Such an arrangement is advantageous for light sources with a short coherence length.
  • 6b shows the arrangement supplemented by collimator and collector lenses as well as defined entrance and exit apertures.
  • This particularly advantageous arrangement uses the spectral dispersion of the diffraction grating to select a defined wavelength. The wavelength can be adjusted precisely by changing the angle at which the beams hit the diffraction grating.
  • FIGS. 7a and 7b Examples of using arrangements according to the invention as novel spectrometers are shown in FIGS. 7a and 7b.
  • 7a is first described: After passing through an aperture (A), the non-polarized, collimated beam from a light source (Source) reaches a non-polarizing beam splitter (np BS), which generates two partial beams. One partial beam reaches the diffraction grating (G) via a mirror (M), the other partial beam reaches the diffraction grating (G) after passage of a sample volume (sample).
  • the diffraction grating is rotatably mounted (see illustration, grating lines and axis of rotation perpendicular to the plane of the drawing).
  • the diffraction grating bends the partial beams back (Littrow arrangement), a spectral component of the respective partial beams that is dependent on the respective angle reaching the beam splitter exactly again.
  • the superimposed partial beams reach an exit slit (E) via the collector lens (C) and then the polarization-sensitive detector.
  • the polarization-selective detector is implemented with the aid of a lens (L) which bundles the light coming from the aperture (E) through a polarizing beam splitter (p BS) onto two detectors (D1, D2).
  • FIG. 7b A particularly interesting variant of this arrangement (FIG. 7b), by means of a pair of mirrors (M1.M2), causes the partial beams to be overlaid with opposing spectral dispersion after passage through the interferometer. This leads to a spectrally high-resolution selection of the interference signal (cf. DE 198 01 469 A), even with a wide exit gap (E).

Landscapes

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  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine spektral dispersive interferometrische optische Vorrichtung mit einer Lichtquelle, Mitteln zur Erzeugung einer Phasenverschiebung, Mitteln zur Messung der Intensität der Interferenzsignale, Mitteln zur selektiven Messung der Intensität des Interferenzsignals und Mitteln zur Bestimmung der Phasenwinkel und/oder einer relativen Phasenverschiebung der Intensität der Interferenzsignale. Erfindungsgemäss umfassen die Mittel zur Erzeugung einer Phasenverschiebung zwischen Komponenten unterschiedlicher Polarisationsrichtung in mindestens einem der Zweige des Interferometers ein Beugungsgitter. Die Mittel zur selektiven Messung der Intensität des Interferenzsignals in Abhängigkeit von der Polarisation erlauben darüber hinaus eine Bestimmung der jeweiligen Intensität für die TE-und TM-Komponenten des Interferenzsignals bezogen auf das Koordinatensystem des Beugungsgitters.

Description

Interferometrische optische Anordnung
Die Erfindung betrifft dispersive interferometrische optische Vorrichtungen, welche ein Beugungsgitter umfassen sowie Messverfahren, welche die besonderen Eigenschaften dieser Vorrichtungen bzgl. der relativen Phasenlagen der beiden Polarisationskomponenten des detektierten Lichtes nutzen.
Weiterhin umfasst die Erfindung die Verwendung dieser Vorrichtungen und Verfahren
- zur Messung der Profiltiefe bzw. des räumlichen Modulationshubs von optischen Beugungsgittern,
- zur Messung von Veränderungen einer optischen Weglänge sei es durch räumliche Veränderung oder durch Variation eines Brechungsindex,
- zur Messung von seitlichen Verschiebungen eines Beugungsgitters,
- zur Messung einer durch ein doppelbrechendes Material erzeugten relativen Phasenverschiebung zwischen Komponenten unterschiedlicher Polarisation
- zur Messung einer durch eine durchstrahlte Probe erzeugten Drehung der Polarisation (optische Aktivität der Probe) sowie ein spektroskopisches Messverfahren zur spektral aufgelösten Bestimmung des komplexwertigen Brechungsindex eines Materials, d. h. gleichzeitig Absorption und Brechungsindex bzw. spektrale Variation des Brechungsindex und gegebenenfalls polarisationsabhängige Eigenschaften eines in einen Arm des Interfero- meters eingebrachten Probenmaterials.
Die Profiltiefe eines in Reflektion arbeitenden Beugungsgitters oder allgemeiner der Modulationshub einer beliebig gearteten periodischen Beugungsstruktur oder eines Hologramms ist neben der tatsächlichen Form des periodischen Profils und dem komplexwertigen Brechungsindex des verwendeten Materials der wichtigste Parameter, der die Beugungseffizienz bestimmt. Die Profiltiefe muss daher bei der Herstellung bzw. Prüfung derartiger Elemente mit großer Genauigkeit kontrolliert werden können.
Die folgende Diskussion bezieht sich ohne Beschränkung der Allgemeinheit auf unter großen Winkeln in Reflexion arbeitende Beugungsgitter. Die Zusammenhänge gelten jedoch gleichermaßen für Transmissionsgitter und sowohl für Phasen- als auch für Absorptionsgitter und damit auch für äquivalente Beugungsstrukturen wie etwa akustooptische Modulatoren oder Volumenhologramme.
Fig. 1 zeigt die Oberfläche eines sinusoidalen Beugungsgitters (G) sowie die Richtungen eines einfallenden kollimierten Lichtstrahls (I), des reflektierten Strahls (0) und des gebeugten Strahls (-1) mit den zugehörigen Winkeln ( θ|, θo, θ.j ) gegenüber der Gitternormalen. Die Bezeichnungen "0" und "-1" stehen für die nullte bzw. erste Beugungsordnung. In der dargestellten, technisch vorteilhaften Geometrie treten keine weiteren Beugungsordnungen auf. Die dargestellte Anordnung und ähnliche Anordnungen, etwa die Autokollimations- oder Littrow-Anordnung (θι=θ.ι), zeigen hohe spektrale Auflösung und die Beugungseffizienz zeigt über weite Winkel- bzw. Wellenlängenbereiche keine sogenannten Anomalien (Wood 's Anomaly), welche im Zusammenhang mit höheren Beugungsordnungen auftreten.
Besonders interessant ist die Tatsache das für derartige Gitter bzw. Anordnungen, bei denen keine höheren Beugungsordnungen auftreten, das sogenannte Äquiva- lenz Theorem gilt: Die Beugungseffizienz derartiger Gitter in Abhängigkeit von Winkel und Wellenlänge wird allein durch eine effektive Profiltiefe bestimmt und ist weitgehend unabhängig von der tatsächlichen Form des Profils (vgl. Equivalence of ruled, holographic, and lamellar gratings in constant deviation mountings; M. Breidne, D. Maystre; Applied Optics 19, 1812-1821 (1980)).
Das Äquivalenz Theorem kann einfach verstanden werden, wenn man das jeweilige periodische Gitterprofil als Fourier-Reihe darstellt und die Wechselwirkung des einfallenden Lichtes mit den jeweiligen Komponenten der Fourier-Reihe darstellt. Die Gitterperiode selbst definiert die Hauptkomponente der Fourier-Reihe und ist somit verantwortlich für die erste Beugungsordnung, die weiteren Komponenten erzeugen die höheren Beugungsordnungen. Lässt die Geometrie keine höheren Beugungsordnungen zu, spielen die entsprechenden Komponenten der Fourier- Reihe keine Rolle und das Gitter verhält sich wie ein sinusoidales Gitter mit einer der Hauptkomponente der Fourier-Reihe entsprechenden effektiven optischen Profiltiefe. Es ist daher möglich derartige Gitter weitgehend durch eine effektive optische Profiltiefe zu charakterisieren.
Fig. 2 zeigt die zu erwartende Beugungseffizienz für ein derartiges Gitter aus elektrisch sehr gut leitfähigem Material, etwa ein holographisch erzeugtes goldbedampftes Gitter in Abhängigkeit von der relativen Profiltiefe. Die relative Profiltiefe ist das Verhältnis der tatsächlichen Profiltiefe zur räumlichen Periode des Gitters.
Die Beugungseffizienz in Abhängigkeit von der Profiltiefe ist stark unterschiedlich für die beiden möglichen Komponenten der Polarisation des einfallenden Lichtstrahls: TE-polarisiertes Licht (E-Feld Komponente parallel zu den Gitterlinien) wird wesentlich schwächer beeinflusst als TM-polarisiertes Licht (E-Feld Komponente senkrecht zu den Gitterlinien).
Der Effekt kann damit erklärt werden, dass TE-polarisiertes Licht im Gegensatz zu TM-polarisiertem Licht nur mit einen Teil des tatsächlichen Gitterprofils in Wech- selwirkung treten kann, da Elektronen in den obere Schichten des Gitterprofiles i.e. in den Spitzen des Profils nur entlang der Gitterlinien beweglich sind.
Fig. 2 zeigt dementsprechend mit steigender relativer Profiltiefe zunächst einen schnellen Anstieg der Effizienz für TM-polarisiertes Licht, während die Effizienz für TE-polarisierte Licht nur langsam ansteigt. Im dargestellten Beispiel erreicht die Effizienz für TM-Polarisation ein Maximum bei einer relativen Profiltiefe von ca. 0,32, fällt dann in Folge der "Übermodulation" wieder auf ein Minimum bei etwa der doppelten Profiltiefe ab um dann einem weiteren Maximum zuzustreben, während die TE-Komponente noch immer langsam ihrem ersten Maximum zustrebt.
Technisch von besonderem Interesse sind Beugungsgitter bzw. Anordnungen, die für TM- und TE-polarisiertes Licht die gleiche Beugungseffizienz zeigen. Etwa beim Einsatz in Spektrometem ist dann die Intensität der einfallenden Strahlung unabhängig von der jeweiligen Polarisation messbar. In Fig. 2 zeichnet sich ein derartiges Gitter durch eine relative Profiltiefe aus, bei der sich die Kurven für die TM- und die TE-Effizienz kreuzen, im dargestellte Beispiel also bei relativen Profiltiefen von etwa 0,66 oder etwa 0,83.
Die Bestimmung der effektiven optischen Profiltiefe eines Gitters ist daher von besonderem Interesse sowohl für Hersteller als auch für Anwender von Beugungsgittern. Neben der gegebenenfalls winkel- und/oder wellenlängenabhängigen Vermessung der Effizienzen für Beugung und Reflektion durch geeignete genaue Messung der Intensitäten eines einfallenden und der gebeugten bzw. reflektierten Strahlen zur Berechnung der effektiven optischen Profiltiefe werden derzeit auch Raster-Tunnel- und Raster-Kraft-Mikroskope eingesetzt um Gitterprofile direkt zu vermessen. Die Bestimmung der Profiltiefe anhand der Messung der verschiedenen Intensitäten ist relativ ungenau, wenn nicht sehr hohe Ansprüche an die Präzision der Messapparatur und deren Eichung erfüllt werden. Die Bestimmung der effektiven optischen Profiltiefe mit Hilfe der Raster-Kraft- oder Raster-Tunnel- Mikroskopie ist technisch anspruchsvoll und erfordert hohen Aufwand bzgl. der physikalisch-mathematischen Modelle, welche die gemessenen "Kraft-Oberflächen" bzw. "Tunnelstrom-Oberflächen" in geeignete Rechenverfahren zur Bestimmung der optischen Eigenschaften einbringen.
Die vorgestellte Erfindung betrifft eine interferometrische Anordnung, welche die optische Profiltiefe eines Beugungsgitters in Beziehung setzt zu der relativen Phasenverschiebung der beiden für die verschiedenen Polarisationsrichtungen aufgenommenen Messsignale, welche bei einer Variation der optischen Weglängen erzeugt werden.
Varianten dieser Anordnung können daher gleichermaßen zur Messung der Profiltiefe eines Gitters oder - bei bekannten Eigenschaften des Gitters - zur Messung von Änderungen der optischen Weglänge eingesetzt werden. Die Weglängenmessung erlaubt auch die Bestimmung von Brechungsindexänderungen.
Wird zusätzlich die spektrale Selektivität der Anordnungen genutzt, ist eine Verwendung der Anordnung als Spektrometer möglich, welches in Abhängigkeit von der Wellenlänge nicht nur die Absorption einer durchstrahlten Probe sondern gleichzeitig auch die spektrale Variation des Brechungsindex und gegebenenfalls polarisationsabhängige Parameter, etwa die optische Aktivität (Drehung der Polarisation) oder eine Anisotropie des Brechungsindex (Doppelbrechendes Material) misst.
Benutzt wird hierbei die Tatsache, dass TM- und TE-polarisierte Lichtstrahlen nicht nur unterschiedliche Profiltiefen eines Beugungsgitters "sehen", da TM- und TE- Wellen unterschiedlich mit der strukturierten Oberfläche wechselwirken und daher mit unterschiedlichen Effizienzen gebeugt bzw. reflektiert werden, sondern, dass TM- und TE-Wellen das Beugungsgitter damit auch an leicht unterschiedlichen räumlichen Positionen wahrnehmen. Für die gebeugten und reflektierten Strahlen entsteht damit ein von der Profiltiefe und der jeweiligen Anordnung abhängiger Unterschied in den optischen Weglängen zwischen TM- und TE-Komponenten und damit eine Phasenverschiebung zwischen TM- und TE-Komponenten. Der genaue Zusammenhang zwischen Effizienzen und Phasenverschiebung kann theoretisch - ausgehend von den Maxwellschen Gleichungen und den Materialeigenschaften - anhand verschiedener mathematischer Verfahren bestimmt werden (vgl. Topics in Current Physics: Electromagnetic Theory of Grätings; R. Petit Editor; Springer Verlag 1980).
Im Fall von Volumenstrukturen i.e. Schichtsystemen oder Volumenhologrammen treten genau entsprechende Phasenverschiebungen in Folge der Brechungsind- xabhängigkeit des Phasensprungs bei Reflektion an einer bzw. Transmission durch eine Oberfläche auf.
Allgemein kann der Zusammenhang auch aus den Dispersionsrelationen abgeleitet werden: Unterschiedliche spektrale Eigenschaften - wie in diesem Fall bezüglich der TM- und TE-Komponenten - müssen sich entsprechend auf die relative Phasenlage der jeweiligen reflektierten bzw. gebeugten Strahlen auswirken. Dieser Zusammenhang legt auch den Umkehrschluss nahe, dass bei gleichen Effizienzen d.h. gleichen spektralen Eigenschaften die relative Phasenverschiebung verschwindet.
Derartige relative Phasenverschiebungen können mit Hilfe eines interferometri- schen Aufbaus sehr genau bestimmt werden, wenn die Möglichkeit vorgesehen wird TM- und TE- Komponenten einzeln bzw. unabhängig voneinander zu messen.
Die Art der interferometrischen Anordnung ist dabei von untergeordneter Bedeutung, es kann sowohl die Vermessung eines festen räumlichen Interferenzmusters mit entsprechenden festen Weglängenunterschieden als auch die Abhängigkeit der Intensität von einer Weglängenveränderung in einer Michelson-, Mach-Zehnder- oder Fabry-Perot- ähnlichen Anordnung verwendet werden. Besonders geeignet sind auch interferometrische Anordnungen vergleichbar der in Abbildung 6a dargestellten Variante, welche das Gitter selbst als Strahlteiler verwendet. Für TM- und TE-Komponenten können von den Weglängendifferenzen im Interfe- rometer abhängige jeweils periodisch auftretende Maxima und Minima der Intensität gemessen werden, die eine von der effektiven optischen Profiltiefe abhängige Phasenverschiebung zeigen. Diese Phasenverschiebung kann mit wenig Aufwand sehr genau bestimmt werden, insbesondere erfordert die Bestimmung der Phasenverschiebung nicht die Messung von absoluten Intensitäten oder Intensitätsverhältnissen und sie ist sehr robust gegenüber verschiedenen Störungen, wie etwa einem den Messsignalen überlagerten konstanten Untergrund oder Rauschen.
Zur Verwendung als Weglängensensor sind Michelson-Interferometer bekannt, welche mit Hilfe doppelbrechender Elemente und polarisationsabhängiger Messung des Interferenzsignals zwei um 90° phasenverschobene Signale liefern. Eine Möglichkeit besteht in einer gegenläufigen zirkulären Polarisation der zur Interferenz gebrachten Strahlen aus den beiden Armen des Interferometers durch geeignete doppelbrechende optische Elemente. Unter Verwendung eines polarisierenden Strahlteilers können zwei linear polarisierte Komponenten gewonnen werden, deren Intensitätsverlauf bei Weglängenveränderungen eine Phasenverschiebung von 90° aufweist.
Eine hinreichende, konstante Phasenverschiebung - auch abweichend von 90° - erlaubt immer sowohl die Bestimmung der Richtung der Bewegung anhand der beiden Signale als auch eine genauere Bestimmung der Position anhand numerischer Bestimmung des jeweils aktuellen Phasenwinkels (siehe Abbildung 5a, 5b).
Im Gegensatz zu einer derartigen Anordnung zeit eine erfindungsgemäße Anordnung zur Weglängenmessung, etwa gemäß Fig. 6b, wesentliche Vorteile.
Fig. 3 zeigt zunächst eine erfindungsgemäße technische Anordnung ausgeführt nach Art eines Michelson-Interferometers: Ein kollimierter, monochromatischer Lichtstrahl fällt durch eine geeignete Blende (A) zunächst auf einen nicht polarisierenden Strahlteiler (np BS). Der einfallende Strahl ist entweder nicht polarisiert oder unter etwa 45° polarisiert. Der einfallende Strahl zeigt damit bezogen auf das Koor- dinatensystem des Beugungsgitters (G) jeweils TE- und TM-Komponenten, die durch den nicht polarisierenden Strahlteiler jeweils gleichermaßen auf die Arme des Interferometers aufgeteilt werden. Ein Arm des Interferometers wird abgeschlossen durch einen Spiegel (M), der den Strahl zurück zum Strahlteiler wirft. Der zweite Arm des Interferometers wird abgeschlossen durch das zu untersuchende Beugungsgitter (G) in Littrow- bzw. Autokollimationsanordnung, d.h. der durch das Gitter gebeugte Strahl wird zum Strahlteiler zurückgeworfen. Mit Hilfe zusätzlicher optischer Elemente könnte auch der reflektierte Strahl oder ein unter einem anderen Winkel gebeugter Strahl erfasst werden.
In der dargestellten Anordnung kann die optische Weglänge des ersten Arms durch einen Linearaktuator (L), der den Spiegel (M) entlang der optischen Achse verschieben kann, definiert verändert werden. Die optische Weglänge des zweiten Armes des Interferometers zum Gitter bleibt konstant, ist jedoch in Folge des oben dargestellten Phaseneffektes des Beugungsgitters für die beiden Komponenten der Polarisation effektiv unterschiedlich.
Die Teilstrahlen aus den beiden Armen des Interferometers werden durch den nicht polarisierenden Strahlteiler (np BS) wieder überlagert und erreichen den polarisierenden Strahlteiler (p BS), der TE- und TM-Komponenten trennt und gesonderten Photodetektoren (D1 , D2) zuführt. Es werden damit unabhängig voneinander die Intensitäten der Interferenzsignale für TE- (Sig. TE) und TM- (Sig. TM) Komponenten erfasst. Bei der technischen Realisierung der Anordnung können weitere optische Komponenten erforderlich werden, etwa der dargestellte Kollimator (C).
Die Detektorsignale werden einer Messanordnung zugeführt, welche - etwa durch numerische Verfahren - die gesuchte Phasenverschiebung bestimmt.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel für die Signale der beiden Detektoren (Sig. TM, Sig TE) abhängig von der durch den Linearaktuator eingebrachten Weglängendifferenz. Die Signale sind sinusoidal und zeigen eine Periode entsprechend der halben Wellenlänge des verwendeten monochromatischen Lichtes sowie eine Phasenverschie- bung der beiden periodischen Interferenzsignale abhängig von der effektiven Profiltiefe des Beugungsgitters. Die Phasenverschiebung der Signale ist damit ein Maß für die Profiltiefe des Gitters. Diese Profiltiefe kann daher anhand derartiger Messdaten mit großer Genauigkeit bestimmt werden, selbst dann, wenn weder die Intensitätsmessung noch der Weglängenmaßstab auf absolute Werte geeicht sind.
Fig. 5 b zeigt ein allgemeines Beispiel für die beiden gemessenen Signale dargestellt als Lissajousfigur bzw. XY-Diagramm. Erkennbar kann der Winkel &, welcher ein Maß für den aktuellen Phasenwinkel ist, auch bei Signalen ungleicher Amplitude und in Anwesenheit von Rauschen und Offsets sicher bestimmt werden.
Fig. 6a zeigt eine besonders vorteilhafte technische Ausführung einer erfindungsgemäßen Anordnung, welche das Beugungsgitter gleichzeitig als Strahlteiler und zur Erzeugung der Phasenverschiebungen verwendet. Diese Anordnung erlaubt neben der Weglängenänderung in einem der Arme des Interferometers auch vorteilhaft die kontinuierliche Drehung des Phasenwinkels durch eine seitliche Bewegung des Gitters d.h. ohne tatsächliche Weglängenänderung. Eine derartige Anordnung ist vorteilhaft bei Lichtquellen mit kurzer Kohärenzlänge.
Fig. 6b zeigt die Anordnung ergänzt um Kollimator- und Kollektorlinsen sowie definierte Eintritts- und Austritts-Aperturen. Diese besonders vorteilhafte Anordnung nutzt die spektrale Dispersion des Beugungsgitters zur Selektion einer definierten Wellenlänge. Die Wellenlänge kann über geeignete Veränderung der Winkel unter denen die Strahlen das Beugungsgitter treffen genau eingestellt werden.
Besonders vorteilhaft ist dies, wenn anstelle eines Lasers eine breitbandigere Lichtquelle zur genauen Messung von Weglängen eingesetzt werden soll, da die Wellenlänge der Messung als Maßstab dient.
Beispiele für eine Verwendung erfindungsgemäßer Anordnungen als neuartige Spektrometer zeigen die Figs. 7a und 7b. Beschrieben wird zunächst Fig. 7a: Der nicht polarisierte, kollimierte Strahl einer Lichtquelle (Source) erreicht nach Passage einer Apertur (A) einen nicht polarisierenden Strahlteiler (np BS), welcher zwei Teilstrahlen erzeugt. Ein Teilstrahl erreicht das Beugungsgitter (G) über einen Spiegel (M), der andere Teilstrahl erreicht das Beugungsgitter (G) nach Passage eines Probenvolumens (Sample). Das Beugungsgitter ist drehbar gelagert (siehe Abbildung, Gitterlinien und Rotationsachse senkrecht zur Zeichenebene). Das Beugungsgitter beugt die Teilstrahlen zurück (Littrow-Anordnung) wobei eine vom jeweiligen Winkel abhängige spektrale Komponente der jeweiligen Teilstrahlen exakt wieder den Strahlteiler erreicht. Die überlagerten Teilstrahlen erreichen über die Kollektorlinse (C) einen Austrittsspalt (E) und dann den polarisationssensitiven Detektor.
Der polarisationsselektive Detektor wird im gezeigten Beispiel realisiert mit Hilfe einer Linse (L), welche das von der Apertur (E) kommende Licht durch einen polarisierenden Strahlteiler (p BS) auf zwei Detektoren bündelt (D1 , D2).
Eine besonders interessante Variante dieser Anordnung (Fig. 7b) bewirkt durch ein Spiegelpaar (M1.M2), dass die Teilstrahlen nach Passage des Interferometers mit gegenläufiger spektraler Dispersion überlagert werden. Dies führt zu einer spektral hochauflösenden Selektion des Interferenzsignals (vgl. DE 198 01 469 A), auch bei breitem Austrittsspait (E).

Claims

Interferometrische optische AnordnungPatentansprüche
Spektral dispersive interferometrische optische Vorrichtung mit
• einer Lichtquelle, welche Licht in das Interferometer einstrahlt,
• Mitteln zur Erzeugung einer Phasenverschiebung zwischen Komponenten unterschiedlicher Polarisationsrichtung in mindestens einem der Zweige des Interferometers,
• Mitteln zur Messung der Intensität des Interferenzsignals in Abhängigkeit von der relativen Phasenlage und/oder optischen Weglängen der zur Interferenz gebrachten Teilstrahlen,
• Mitteln zur selektiven Messung der Intensität des Interferenzsignals in Abhängigkeit von der Polarisation oder zur getrennten Messung von Komponenten unterschiedlicher Polarisation,
• und Mitteln zur Bestimmung der Phasenwinkel und/oder einer relativen Phasenverschiebung der Intensität der Interferenzsignale zwischen den gemessenen Komponenten unterschiedlicher Polarisation, dadurch gekennzeichnet,
dass die Mittel zur Erzeugung einer Phasenverschiebung zwischen Komponenten unterschiedlicher Polarisationsrichtung in mindestens einem der Zweige des Interferometers ein Beugungsgitter umfassen und dass die Mittel zur selektiven Messung der Intensität des Interferenzsignals in Abhängigkeit von der Polarisation eine Bestimmung der jeweiligen Intensität für die TE- und TM- Komponenten des Interferenzsignals bezogen auf das Koordinatensystem des Beugungsgitters erlauben.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter selbst als optischer Strahlteiler und/oder als optisches Element zur Überlagerung der Teilstrahlen verwendet wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter im Strahlengang eines der Teilstrahlen des Interferometers angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter in einer Autokollimations oder Littrow-Anordnung im Strahlengang eines der Teilstrahlen des Interferometers angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle einen Kollimator umfasst.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoranordnung einen Kollektor mit einer Apertur im Fokus umfasst, dergestalt dass eine spektrale Komponente des eingestrahlten Lichtes selektiv zur Detektion kommt.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind mit deren Hilfe der oder mindestens einer der Winkel unter denen der oder die Lichtstrahlen das Beugungsgitter treffen, verändert werden kann. .
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Messung der Intensität des Interferenzsignals bei unterschiedlichen relativen Phasenlagen Mittel zur seitlichen Bewegung des Beugungsgitters umfassen.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Messung der Intensität des Interferenzsignals bei unterschiedlichen optischen Weglängen der zur Interferenz gebrachten Teilstrahlen bewegliche optische Elemente zur Veränderung der Weglänge im Strahlengang mindestens eines der Teilstrahlen umfassen.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Mitteln zur Messung der Intensität des Interferenzsignals eine zeitabhängige Veränderung der relativen Phasenlagen und/oder Veränderung der optischen Weglängen der zur Interferenz gebrachten Teilstrahlen erlauben und die Messung der Intensitätssignale durch geeignete Detektoren zeitabhängig erfolgt.
11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Mitteln zur Messung der Intensität des Interferenzsignals bei unterschiedlichen optischen Weglängen der zur Interferenz gebrachten Teilstrahlen einen räumlich auflösenden Detektor umfassen, der ein räumliches Interferenzmuster erfassen kann.
12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Mitteln zur selektiven Bestimmung der Intensität des Interferenzsignals in Abhängigkeit von der Polarisation, insbesondere die Bestimmung der jeweiligen Intensität für die TE- und TM-Komponenten des Interferenzsignals bezogen auf das Koordinatensystem des Beugungsgitters drehbare Polarisationsfilter umfassen.
13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Mitteln zur selektiven Bestimmung der Intensität des Interferenzsignals in Abhängigkeit von der Polarisation, insbesondere die Bestimmung der jeweiligen Intensität für die TE- und TM-Komponenten des Interferenzsignals bezogen auf das Koordinatensystem des Beugungsgitters geeignete Polarisationsempfindliche Detektoren umfassen.
14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur selektiven Bestimmung der Intensität des Interferenzsignals in Abhängigkeit von der Polarisation, insbesondere die Bestimmung der jeweiligen Intensität für die TE- und TM-Komponenten des Interferenzsignals bezogen auf das Koordinatensystem des Beugungsgitters Mittel zur Festlegung der Polariasation bzw. Polarisationsrichtung des eingestrahlten Lichtes bzw. der Lichtquelle umfassen.
15. Messvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 14 zur genauen Bestimmung der durch ein doppel brechendes optisches Element erzeugten relativen Phasenverschiebung zwischen Komponenten unterschiedlicher Polarisationsrichtung, anhand der Messung der relativen Phasenverschiebung zwischen TE- und TM- Komponente der gemessenen Interferenzsignale.
16. Messvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 14 zur genauen Bestimmung der effektiven optischen Profiltiefe eines Beugungsgitters, anhand der Messung der relativen Phasenverschiebung zwischen TE- und TM- Komponente der gemessenen Interferenzsignale.
17. Messvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 14 zur genauen Bestimmung von optischen Weglängenänderungen mindestens eines der Arme des Interferometers anhand der Bestimmung der Phasenwinkel der TE- und TM- Komponente der gemessenen Interferenzsignale.
18. Messvorrichtung nach Anspruch 17 zur genauen Bestimmung von Weglängenänderungen durch Kopplung der zu bestimmenden Weglängenänderung an eine entsprechende Änderung der optischen Weglänge mindestens eines der Arme des Interferometers.
19. Messvorrichtung nach Anspruch 17 oder 18 zur genauen Bestimmung von seitlichen Verschiebungen des Beugungsgitters anhand der Bestimmung der Phasenwinkel der TE- und TM- Komponente der gemessenen Interferenzsignale.
20. Messvorrichtung nach Anspruch 19 zur genauen Bestimmung von Weglängenänderungen durch Kopplung der zu bestimmenden Weglängenänderung an eine entsprechende seitlichen Verschiebung des Beugungsgitters.
21. Messvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche zur genauen spektralen Bestimmung von Absorption und Brechungsindex bzw. spektral abhängigen Brechungsindexänderungen einer in einen der Arme des Interferometers eingebrachten Probe.
22. Messvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche zur genauen spektralen Bestimmung von Polarisationseigenschaften einer in einen der Arme des Interferometers eingebrachten Probe.
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