JPH07507875A - 分散干渉計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 分散干渉計 本発明は、干渉方法により被検査媒体の屈折率の分散部分を測定するのに使用さ れるタイプの分散干渉計に関し、光学的分野およびトカマク、ステラレータ、ガ ス放電レーザーのようなタイプの種々のプラズマ装置の診断集合体の一部とし干 渉測定方法は、媒体で生じる光学路の光学的長さｎ５（ｎは屈折率、Ｓは光学路 の幾何学的長さ）の変化を測定可能にするものである。被検査物体の長さが与え られると、材料の屈折率を決めることができ、その逆に、既知の屈折率の物体が 与えられると、放射線の波長に匹敵する精度でその厚さのプロフィルを決めるこ とができる。測定を２つの異なる波長λ、およびλ８を用いて行うと、光学路の 光学的長さの分散部分［ｎ、（λ、）−ｎ＝　（λ、）］Ｓを決めることができ る。

例えばプラズマでは（ｎ＋　ｎ＝）は電子の濃度と明らかに関連している。干渉 計に共通する特徴は、２つの独立した光学的分路が設けられていることである。

干渉の結果は、２つの分路に沿って進み、干渉素子内で収束する波の位相の変化 によって決まる。媒体における波の位相は幾何学的光学路、偏光および放射線の 周波数によって決まるので、３つのタイプの干渉計回路に分けることができる。

大規模に実施されている古典的な干渉計では、放射線源からの放射線を分路内の 異なる幾何学形状の光学路を進む、等しい周波数の２つの波に分割している。

極めてポピユラーなプラズマ診断用干渉計は、第１タイプの、すなわちマツハー ゼングー、マイケルソンのタイプの古典的回路に従って構成された２つ以上の波 長で同時に作動するようになっている。これについては、エル・エヌ・ピアトニ ツキー、ニス・エル・ラーク、ヴイ・アー・ロンキン、ジー・シー・ヤクショフ 著、「３周波数高応答性レーザー干渉計Ｊ　ＰＴＥＳ１９８３年Ｎ５．１８１− １８５頁を参照されたい。幾何学的光学路の差は、かかる回路の欠点、すなわち 光学素子の振動に大きく応答することが主な原因となっている。振動効果を除く ために、測定が複雑となり、このためこれら測定システムも複雑となっている。

すなわち、振動絶縁ベッドプレートを用い、長波長の放射線（もっばら３３７μ ｍ）および短波長（例えば６３μｍ）で振動を補償する２つの長波長干渉計を用 いなければならない。

当分野では、同じ幾何学的光路を有する周波数の異なる波長に２つの分路が対応 している、新タイプのいわゆる分散型干渉計も知られている（ソ連邦特許明細書 ８６４９４２、Ｃ０ＩＤ　９１０２）。このタイプの干渉計は多数の実質的な利 点がある。まず、分散寄与分が屈折率（プラズマ内では電子により決定される） として測定され、２つの大きな値の差として誘導されないこと。第２は、光学素 子のスプリアス信号への応答が小さいことである。

このタイプの分散型干渉計は、周波数ωの放射線源と、間に被検査物体が配置さ れるような距離に設けられた、２つの非リニア（非線形）な周波数光学的ダブラ −と、光フィルタと、レジスターとを含み、すべての手段は光軸に沿って設けら れている。

この装置では、周波数ω１のレーザー放射線が干渉計を照射すると、この放射線 部分は最初の非リニア素子内で周波数ω、＝２ω１の高調波周波数に変換される 。従って、被検査物体は周波数ω、およびω、の２つの波長に対して半透明であ る。第２の非リニア素子を通過する際、周波数ω、は一部が周波数ω２の波長λ °、の波長に変換される。光フィルタは基本周波数の放射線をカットオフし、干 渉体の出力端には高調波放射線の２つの波長λ、およびλ°、が残る。一方の波 長（λ、）は物体を通過する前にω、から変換されたものであり、第２の波長（ λ゛、）は通過時に生じたものである。これら２つの波の干渉像は、レンズで形 成された物体の像平面内で一致する。

干渉計は変形が可能であり、この変形例では第１非リニア素子の後方の光軸に垂 直な検査物体の位置とする距離に、平らなミラーが設けられる。この場合、干渉 計を照明する周波数ω、の放射線の一部が、周波数ダブラ−を最初に通過する際 に、周波数ω、＝２ω、の放射線に変換される。物体は周波数ω、およびω２を 有する２つの波長λ１およびλ、のＸ線が照射される。従ってこれら波長の各々 は、第２時間の開進み、ミラーから反射され、被検査物体および周波数ダブラ− を通過する。周波数ダブラ−を繰り返し通過する際に、周波数ω、の波長λ、は 、ω２の波長λ゛、に変換される。半透明ミラーで反射された後に、基本周波数 放射線はフィルタによりカットオフされる。レンズにより形成される物体の像平 面では、波長λ２と波長λ゛、の干渉パターンが一致する。位相ψ＝２ψ、−ψ 、の位相差と干渉波長の一般的な強度との関係は、次のようになると一般に知ら れている。

ここで、Ｔ、、Ｔ、は強度であり、２ψ１、（ω、）、ψ、（２ω雪）は第２高 調波λ、およびλ′、の波長の位相である。測定された値の絶対値を決定するた め、上記式（１）を用いる。これによれば、干渉パターンの最大値の間の距離は ２πに対応する。

同様に、光、電気記録すなわち下記の比で演算を行う。

上記装置は実際には非リニアな分散干渉計である。この装置は比リニアであるの で、記録結果の解釈か曖昧になり、その結果精度が低くなる。第２の周波数ダブ ラ−ではψ＝２ψ、−ψ、の値に応じて、基本放射線の第２高調波への変換また は第２高調波からサブ高調波への変換の逆プロセスのいずれかが生じる。一般に 従属項Ｔ（ψ）はかなり複雑であり、上記式（１）とは一致しない。これは変換 プロセスにおける位相の分散の差の違いによるものである。ある種の従属性はプ ローブ用放射線パワーの密度および波長および周波数ダブラ−の非リニア感受性 によって決まる。

任意の初期条件で第２高調波を発生するための一組の方程式を数値解放すること により、この説を説明する。

波長の振幅ρｊおよび位相ψ、の変化を示す方程式は次のとおりである。

２次の非線形媒体における相互作用は周知である。

ここで１．は波長偏光ベクトルであり、ｋｌは波長ベクトルであり、 ｄ、は波長ベクトルとポインティングベクトルとのなす角度であり、は２次感受 性テンソルの畳み込みであり、Ａ、＝Ｐ、はｅｘｐ（ｉψυである この系は、第２周波数ダブラ−における変換を解くものである。これまで第１ダ ブラ−における周波数の２倍変換および被検査媒体を通過した後第２の長さのダ ブラ−には周波数ω、強度Ｔ１、位相ψを有する放射線および周波数２ω、強度 Ｔ１、Ｔ、を有する放射線が衝突すると認められている。この他に２に、−ｋ。

ｇｏ（これは同時に第２高調波への有効な変換のための条件であるがらである） 、およびｃｏｓ２α、＝１であると考えられている。

干渉波の位相差からの放射線源の強度Ｔに対して定格化された、その結果生じる 第２高調波の強度の予想される従属性は、図１および２に示される。ここで図１ のすべての曲線に対しては次のとおりとなる。

従属性のばらつきは次のパラメータによって決定される。

Ｌ＝ｊ／Ｊ２ｒｒ、Ｊ２πｒ＝Ｃ−ｎ／４πｚωＴ”すなわちこれはＴの放射線 強度と長さｌと周波数ダブラ−の非線形感受性　との関係である。図１の曲線１ ．２に対してはそれぞれＬ＝０．５．１であり、非線形は従属項τ（ψ）に対し てわずかしか影響しない。Ｌ＝２．３．４．５（それぞれ図２の曲線１．２．３ ．４）の場合、かなりの変化が観察される。

最大値はΔψ＝πであるが、以前の２πに従わない。

φの他の値では、最大のａｔ準化された誘導値が得られ（図ではこの点は矢印の マークがついている）、その値は１を越える。

次に２つの連続的に配置されたダブラ−間の位相媒体にょるダブラ−内の放射線 源の変換は、放射線源がら反対側の第２ダブラ−の人力端において、第２高調波 のダブラ−で発生した周波数および偏光の、０でない第１放射線が同じ光学路に 沿って伝搬することを条件に、ダブラ−内の各々では独立した変換とみなすこと ができないことになる。

他のリニアでない干渉計から明らがなように、干渉素子がリニアでない（第２結 晶）場合、リニアな被検査媒体を用いたとしてもリニアリティ（線形性）がない 。

このタイプの装置の別の欠点は、干渉計がマルチモデルの放射線により露光され 、限られた応答を示す際に干渉信号の位相差がスプリアス状にパルス化されるこ とにある。

公知の装置は、放射線源の条件を特定するものではないが、マルチモードの放射 線源の使用により次のような好ましくない結果となる。

（１）基本放射線のモードの位相が変動するので放射線源の安定な強度と共に第 ２高調波の強度力吠きくパルス変化すること。

（２）放射線源のモードの位相変動に関連した干渉信号の位相がパルス状に変化 すること。

第２高調波の強度のパルス変化を検出時に補償できれば、位相差の有効な変化と 区別するように、スプリアスな位相のパルス変化を除くことができる。がなりの スプリアス状のパルス変化が生じた場合、干渉パターンを除くことができる。

発明の要旨 本発明の主な目的は、高品位および干渉パターンの明瞭な解釈、従って屈折率の 分散分の高精度の測定を補償するリニア回路を備えた分散型干渉計を提供するこ とにある。

かかる目的は、周波数ωの放射線源と、間に被検査物体の位置を設定する距離に 設けられた２つの非リニアな周波数ダブラ−と、光フィルタおよび記録装置とを 備え、これらはすべて一本の光軸に沿って配置された分散型干渉計において、更 に偏光ビームスプリッタ−を備え、（２ωの周波数を有する）高速の波の偏光方 向が互いに直交すると共に、ビームスプリッタ−および放射線源の偏光方向と一 致しないように、一対の非リニアな光周波数ダブラ−が配置されている分散型渉 計によって達成される。

周波数ダブラ−および偏光ビームスプリッタ−は１゜とＰｆ”との間の角度およ びＪωとＰｆ’との間の角度が放射線源のリニアな偏光と４５度をなすように配 置され、ここで１ωは放射線源の偏光の単位ベクトルであり、Ｐｆ’およびＰｆ ″は第１周波数ダブラ−および第２周波数ダブラ−の高速波の偏光の単位ベクト ルであり、１、はビームスプリッタ−を通過する放射線の偏光の単位ベクトルで あることが好ましい。かかる配置は、本発明の特定の別の実施例の多数の利点を もたらしている。すなわち、 干渉波の強度が等しいので、干渉パターンのコントラストレンジが広くなること 。

２つの記録チャンネルのバランスが最適になること。

別の変形例によれば、本装置は第２記録装置を更に含み、画記録装置はビームス プリッタ−の出力端に光学的に結合される。第２記録手段の導入により、だけ位 相のずれた２つのチャンネルを備えた記録回路を実現でき、これにより干渉パタ ーンの安定性（すなわち従属性）および干渉計の高応答性が補償される。

あるケースでは、非リニアな光学的ダブラ−の一方の代わりに、逆反射器を用い 、更に倍にされた周波数を放射するためのビームスプリッタ−および位相プレー トλ／４を導入することか好ましい。この干渉計の実施例はより簡単であり、放 射される物体を２回通過するので、応答性を２倍高めることができる。

更に別の実施例によれば、放射線源はモート同期化条件により示され、スプリア スな位相のパルス化を除く要素によりコヒーレントな干渉像を得ることができる 。同様に、単モード、双モードで作動する放射線源を使用できる。

図面の要約 本発明を図面に示された実施例に基づきより詳細に説明する。

図１は、Ｌ＝０．　５．　１の非直線形パラメータを有する干渉波ψの位相差に 対する第２調彼Ｔの関係のプロット図、 図２は、Ｌ＝２．　３．　４．　５０）非ａｌＡ形ハ５メ−９（Ｄ）Ｃ１７８図 、図３は、分散干渉計の基礎回路を示し、図４は、分散干渉計の別の実施例を示 す。

分散干渉計の回路は、放射源（１）と、第１非線形光学周波数２倍器（２）と、 検査対象（３）と、第２非線形光学周波数２倍器（４）と、光フィルタ（５）と 、偏光ビームスプリッタ（６）と、記録装置（７）（８）と、差増幅器（９）と 、加算器（ｌＯ）と、制御素子（１１）と、信号調節器（図１）とを備えている 。図１には、第１と第２の２倍器の速い偏光波（Ｐｆ’ＸＰｆ’）と照射源の単 位照射ベクトル（１ω）が示されている。光学周波数２倍器によって、放射の試 みの第２調波が、最も好適な方法で行われ、この放射は、偏光を明らかに変化さ せることなく、２倍器を介して、同期の方向に通過する。異方性の媒体放射は２ 種類の波に分解する。即ち、互いに直交する方向の偏光（Ｐｆ十Ｐｓ）である速 い波と遅い波である。速い波（ｎｆ）と遅い波（ｎｓ）のための媒体の屈折率は ｎｆ＜ｎｓという条件を満足させる。ＰｆとＰｓの方向は、結晶の軸に均一に連 結される。非直線形素子の「互いに直交する」配置を特定したり、直線形干渉素 子を偏光ビームスプリッタの形状に導入すると、干渉パターンが得られ、このパ ターンは、分散位相差に対する第２調波の強度の依存度を次式（１）のように表 わす。

Ｔ＝ＴＩ＋Ｔ２＋２ＶρＬ丁１７−ττ１７これは、前記の試みられた放射や非 直線形長さのどんな力によっても変わらない。

これは、第２非直線形素子の周波数の２倍化が、第１非直線形素子により生成さ れた第２の調波に依存しないと云う事実により生じる。技術的解決法は、２つの 非直線形素子のシステムが、直線形分散干渉形と見做され、即ち変換が各素子か ら独立して行われる場合にされなくてはならない。

図４は、直線形分散干渉計のオートコリメーションのダイアグラムである。この 図には、照射源（１）と、光線ビームスプリッタ（１）と、光学周波数２倍器（ ２）と位相板（１３）と、調査対象（３）と、反射器（４）と、光フィルタ（５ ）と、偏光ビームスプリッタ（６）と記録装置（７）（８）が示されている。

図３の装置の操作は次の要了で行われる。

干渉計により、Ｐｆ’を４５度の角度にしつつ、周波数ωと偏光１ωを有するレ −ザ放射をなす干渉計においては、この放射の一部は、第１非直線形素子内で、 周波数２ωと偏光ベクトル１ω０１／／ｐｆｌにより調波放射に変換される。そ こで、検査対象は、周波数ωと２ωを有する２つの波のＸ線を当てられる。第１ の、即ちＰｆ’ｌＰｆ”に対し、直角方向に配置した第２の非直線形素子（６） を通過すると、放射は、再び、２ωの周波数とｊ！　、”ω上１．ω（１）の偏 光を有する調波に変換される。変換プロセスは、１１″工Ｐｆ’のために、第１ 非直線形素子により生成された調波に依存しない。光フィルタ（５）は、基本周 波数の放射を切断する。直交方向に偏光した２つの２ω波が残り、そのうちの１ つは、対象を通過する前に変換され、残りは通過後に変換される。６波は、ｊ、 ＋１ωと１１２３ωに対し４５度で配置した成分１゜と１１．に、偏光ビームス プリッタにより分割される。波の一部（偏光１．）はスプリッタにより、光検出 器（８）に、残りの部分（ｊ、工）は光検出器（７）に送られる。そこで、スプ リッタ（６）後の各ビームにおいて、２倍器（２）と（４）により生成された２ つの波の投射の干渉が観察される。所定のビームに相関する、互いに直交する偏 光により、光検出器（７）の干渉信号は、光検出器（８）の信号（π）に対し、 位相の外になる。そこで、光検出器の信号は次のようになる。

差増幅器（９）からの差信号は Δ５＝Ｓ−８１〜２（Ｔ′ｖ７Ｔ１ｃｏｓψπより遥かに小さい位相ずれを測定 する際にご中間点”ψ＝百の近傍の従属変数ΔＳ（ψ）の直線部に関する測定を 行うことは好都合である。中間点の回復及び較正、即ち、値、ｒ冨を定義するこ とは、概ね周波数＝倍器（複）の間に挿置された光楔子を使用して行われる。

異なる信号において、干渉信号の成分は、波動とともに確実に補償される。従属 変数ΔＳ（ψ）を安定させるために、全信号Ｓ＋Ｓ上〜ｚ、＋Ｉ、が正規化され 、それは測定された位相差に影響されない。安定化するための他の方法は、加算 器１０、制御素子■信号調整器及びレーザ放射強度監視素子から成るフィードバ ックループを与えることである。

大事なことは、レーザは、さまざまなモードの位相比が一定である時（または、 光源の位相搏動が見えない場合）、同期モードの状態で作用することである。し かし、この場合、見せかけの位相搏動も存在せず、かつ表示の補償及び安定化方 法も不可能である。

ブロービング測定用の放射偏光のベクトル１ωは、Ｐｆ’・２及びＰｆ、’・３ と一致してはならない。従って、干渉パターンの最大のコントラストは、干渉波 の強さが等しく、１ωと１２ω（ｊ、ωはＰｆ’と一致する）との間の最適角が ４５°の場合に生ずる。１１タイプの２次高調波への変換するために、角度４５ °は効果的な変換に対してもっとも好都合である。

図４の自動コリメータ変形例によれば、周波数＝倍器２において、周波数ωと偏 光１ωとを有する光源の放射が、周波数２ωと偏光ｉ□ω／／Ｐｉとを有する高 調波の放射に変換される。４分の１波長板１３及び試験中の目的物の前方及び戻 り方向を通過後、２次高調波の放射偏光が９０°、即ち、土Ｐｆ回転する。斯様 に、戻り方向通路における基本放射光の周波数の２倍化が、直線方向において生 じたものに無関係に起こり、かつ周波数２ωを持つ２つの波の偏光が互いに直交 する。位相板は、周波数ωを有する放射偏光が変わらないようなものが選択され る。１ωとＰｆとの間の角度が４５″′である時、この事は自動的に行われる。

半透明な鏡１２は、放射光を偏光ビームスプリッタ及びレジスタ回路に向ける。

インバースレフレクタ４は、鏡またはコーナレフレクタである。

上記の事実から、ブロービング放射光を２次高調波への変換は、直交偏光におい て生ずる。従って、非直線性素子とは無関係である。さらに、干渉要素（その作 用は偏光ビームスプリッタによって行われる）は、直線性であり、その場合、干 渉パターンの周期は常に２πであり、かつ正規化された最大導関数Ｉｍａｘ（φ ）／　（Ｉ　ｍａｘ　−１ｍ１ｎ）は、素子の長さ、磁化率の非直線性及びブロ ービング放射光の力密度に無関係に常に■である。

本願発明の装置が従来技術に対して、技術的には勿論、経済的にも優れた長所を 有するものであることをさらに述べておくことが必要である。明細書によれば、 互いに直交している偏光の中の干渉パターンであり、かつ互いにπ、即ち、Ｉｃ （ψ）＝ｒｃ（ψ＋π）だけ位相ずれであることが明記されている。光電記録に おいて、この状態を直交するチャンネル間の異なる信号を利用して安価にブロー ビング放射光の出力の不安定を補償し得る。これによって１０回の干渉によるよ りもより高い感度の測定を行うことができる。

産業上の適用可能性 本発明の干渉計は、離れた地点における測定システムと正確な走行測定器におい て使用することが可能である。

特表千７−５０７８７５　（５） 手続補正書、ヵ、） 平成７年３月１７日

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．周波数ωの放射線源と、間に彼検査物体の位置を設定する距離に設けられた ２つの非リニアな周波数ダブラーと、光フィルタおよび記録装置とを備え、これ らはすべて一本の光軸に沿って配置された分散型干渉計において、更に偏光ビー ムスプリッターを備え、高速の波の偏光方向が互いに直交し、ビームスプリッタ ーおよび放射線源により分離された光方向と一致しないように、一対の非リニア な光周波数ダブラーが配置されていることを特徴とする分散型干渉計。
2. ２．周波数ダブラーおよび偏光ビームスプリッターはｌｃとＰｆ２との間の角度 およびｌωとＰｆ１との間の角度が放射線源のリニアな偏光と４５度をなすよう に配置され、ここでｌωは放射線源の偏光の単位ベクトルであり、Ｐｆ１および Ｐｆ２は第１周波数ダブラーおよび第２周波数ダブラーの高速波の偏光の単位ベ クトルであり、ｌｃはビームスプリッターを通過する放射線の偏光の単位ベクト ルであることを特徴とする請求項１記載の干渉計。
3. ３．第２記録装置を更に含み、両記録装置はビームスプリッターの出力端に光学 的に結合されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の干渉 計。
4. ４．非リニアな光学的ダブラーの一方の代わりに、逆反射器を用い、更に倍にさ れた周波数を放射するためのビームスプリッターおよび位相プレートλ／４を導 入することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の干渉計。
5. ５．使用される放射線源はモードの同期化条件のひとつにより示されることを特 徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の干渉計。
6. ６．単モード、双モードで作動する放射線源を使用することを特徴とする請求項 １〜４のいずれかに記載の干渉計。