KR20130038808A

KR20130038808A - 편광 측정 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20130038808A
Application number: KR1020127023907A
Authority: KR
Inventors: 니르 데이비드슨; 애셔 프리즘; 모티 프리드만
Original assignee: 예다 리서치 앤드 디벨럽먼트 캄파니 리미티드
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2011-03-24
Publication date: 2013-04-18
Also published as: JP5914455B2; US8797532B2; JP2013522643A; CN102933944A; WO2011117873A1; EP2550514A1; CN102933944B; US20130010295A1

Abstract

광 빔의 편광을 측정하는데 사용하기 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 본 시스템은 입력 광 빔의 단면을 따른 편광 프로파일을 판정하도록 구성 및 동작하고, 광 시스템 및 픽셀 매트릭스를 포함한다. 광 시스템은 상기 입력 광 빔을 빔 성분 사이에 사전결정된 편광 관계를 가지는 사전결정된 개수의 빔 성분으로 분할하도록 구성 및 동작하는 편광 빔 분할 어셈블리를 포함하고, 이 편광 빔 분할 어셈블리는 상기 입력 광 빔을 빔 성분 사이에 특정한 편광 관계를 가진 제1의 복수의 빔 성분으로 분할하는, 입력 광 빔의 광 경로 내의 제1 편광 빔 분할기, 및 각각의 빔 성분을 정상 및 이상 편광을 가진 한 쌍의 빔으로 분할하여 상기 사전결정된 개수의 출력 빔 성분을 산출하는, 상기 제1의 복수의 빔 성분의 광 경로 내의 복굴절 부재를 포함한다. 픽셀 매트릭스는 상기 출력 빔 성분의 실질적으로 교차하지 않는 광 경로 내에 위치되고, 각각 상기 출력 빔 성분 내의 강도 분포를 나타내는 대응하는 개수의 출력 데이터 피스를 생성하는데, 상기 데이터 피스 내에 포함된 데이터는 입력 광 빔의 단면을 따른 편광 프로파일을 나타낸다.

Description

편광 측정 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR POLARIZATION MEASUREMENT}

본 발명은 편광 측정 분야에 속하고, 복수의 빔 성분으로의 빔 분할을 사용하여 광 빔의 편광을 측정하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

(참조문헌)

아래는 본 발명의 배경을 더 잘 이해하기 위해 사용될 수 있는 참조문헌들의 목록이다.

[1] G. P. Nordin, J. T. Meier, P. C. Deguzman, and M. W. Jones, ”Micropolarizer array for infrared imaging polarimetry”, J. Opt. Soc. Am. A 16, 1168 (1999).

[2] M. Mujat and A. Dogariu, ”Real-time measurement of the polarization transfer function”, Appl. Opt. 40, 34, (2001).

[3] D. Martino, E. Garcia-Caurel, B. Laude, and B. Drvillon,”General methods for optimized design and calibration of Mueller polarimeters”, Thin Solid Films 112, 455 (2004).

[4] F. Gori, ”Measuring Stokes parameters by means of a polarization grating”, Opt. Lett. 24, 584 (1999).

[5] G. Biener, A. Niv, V. Kleiner, and E. Hasman, ”Near-field Fourier transform polarimetry by use of a discrete space-variant subwavelength grating”, J. Opt. Soc. Am. A 20, 1940 (2003).

[6] J. Kim, D. E. Kim, ”Measurement of the degree of polarization of the spectra from laser produced recombining Al plasmas”, Phys. Rev. E. 66, 017401 (2002).

[7] M. Fridman, G. Machavariani, N. Davidson, and A. A. Friesem, ”Fiber lasers generating radially and azimuthally polarized light” Appl. Phys. Lett. 93, 191104 (2008).

[8] R. Oron, S. Blit, N. Davidson, A. A. Friesem, Z. Bomzon and E. Hasman, ”The formation of laser beams with pure azimuthal or radial polarization”, Appl. Phys. Lett. 77, 3322 (2000).

(본 발명의 배경기술)

광 빔의 편광 측정은 다양한 분석적 애플리케이션을 위해 필요로 된다. 종종 광 편광측정법(polarimetry)이라 불리는 이러한 편광 측정 기술은 특히 편광해석법(ellipsometry), 바이오이미징(bioimaging), 및 이미징 편광측정법(imaging polarimetry)에서 사용된다.

광 빔의 일반적인 편광 상태는 스토크스 파라미터(stokes parameter)에 의해 정의될 수 있다. 스토크스 파라미터는 광 빔 또는 일반적으로 코히어런트 또는 인코히어런트 방사선인 전자기 방사선의 편광 상태를 설명하는 4개의 값의 세트이다.

표시된 스토크스 파라미터에 의해 광 빔의 편광 상태를 판정하기 위한 몇가지 널리 사용되는 방법은 편광 분석기가 뒤따르는 회전하는 4분의 1 파장판을 통해 전송된 광 빔의 시간의존 신호의 측정을 기초로 한다. 편광 상태는 검출된 출력 신호[1]의 푸리에 분석에 의해 판정된다. 다른 방법들이 더 빠르고 더 간단한 편광 측정 기술을 제공할 목적으로 개발되었다. 이러한 방법들은 4채널 편광계(polarimeters)[2]를 기초로 하고, 입력 빔을 4개의 채널로 나누는 빔 분할기를 사용한다. 분할된 빔 성분 각각은 상이한 편광 광학부재를 사용하여 분석되고, 입력 빔의 편광 상태는 4개의 분할된 빔의 측정된 강도로부터 계산된다. 그러나, 이러한 기술들은 복수의 편광자(polarizer)를 필요로 하고, 그들이 단지 균일한 편광[3]을 가진 광 빔에 대한 편광 측정만 제공할 수 있다는 단점을 가진다.

예를 들어, 미국특허 제5,298,972호는 광 빔의 편광의 3개의 순차적인 사전결정된 상태를 산출하기 위한 편광 광원, 및 광 네트워크에 의해 전송되거나 그로부터 반사된 광 빔의 일부분의 편광을 측정하기 위한 광 편광계를 포함하는 기기를 서술한다. 이 기술에 따라, 광 빔은 4개의 빔으로 분할되고, 3개의 빔은 광학 부재를 통과하고, 모든 4개의 빔의 전송된 강도는 스토크스 파라미터를 계산하기 위해 측정된다. 광 빔은 광학 부재에 대한 빔의 위치 및 정렬상태를 제어하기 위한 공간 필터로서 역할하는 단일 모드 광 섬유를 통해 광 편광계로 들어간다. 이러한 광섬유에 의해 일어나는 광 빔 편광의 왜곡은 2개의 상이한 선형 편광된 광 빔을 도입하고, 실제 스토크스 파라미터를 산출하기 위해 인버팅되고 후속 측정의 스토크스 파라미터가 측정된 횟수가 곱해진 캘리브레이션 행렬을 구성하기 위해 사용되는 스토크스 파라미터를 측정함으로써 보정된다. 3개의 순차적인 사전결정된 편광 상태는 3개의 대응하는 존스(Jones) 입력 백터를 산출하고, 광 네트워크의 응답에 대한 스토크스 파라미터는 3개의 존스 출력 백터로 변환된다. 복소수 상수 이내까지의 광 네트워크에 대한 존스 행렬은 존스 입력 및 출력 백터로부터 계산된다. 상대적인 편광 민감도는 광 네트워크에 대한 이러한 행렬로부터 결정될 수 있다. 광 네트워크에 의해 발생되는 상대적 왜곡은 광 네트워크를 통한 추후 측정동안 행렬의 역함수를 곱함으로써 보정될 수 있다. 또한, 광 네트워크상의 파워 측정 및 적절한 치환은 절대적인 판정 및 보정을 가능하게 한다.

US 5,227,623는 각각의 적어도 2개의 파장의 광 빔의 3개의 순차적인 사전결정된 상태의 편광을 산출하는 편광 광원은 물론, 그것을 4개의 빔으로 분할하고, 3개의 빔을 광학 부재를 통과시키고, 모든 4개의 빔의 전송된 강도를 측정하고, 그리고 스토크스 파라미터를 계산함으로써, 광 네트워크에 의해 전송되거나 그로부터 반사된 각각의 파장의 광 빔의 일부분의 편광을 측정하기 위한 광 편광계(optical polarization meter)를 포함하는 기기를 서술한다. 각각의 파장의 3개의 순차적인 사전결정된 상태의 편광은 각각의 파장에서 3개의 대응하는 존스 입력 백터를 산출하고, 광 네트워크의 응답에 대한 스토크스 파라미터는 각각의 파장에서 3개의 존스 출력 백터로 변환된다. 그 다음, 복소수 상수 이내까지의 광 네트워크에 대한 존스 행렬은 각각의 파장에서의 존스 입력 및 출력 백터로부터 계산된다. 광 네트워크 내의 편광 모드 분산(dispersion)은 이러한 행렬에 의해 결정된다.

최근에, 광 빔의 공간 가변 편광 프로파일링 가능성을 제공하는 새로운 접근법이 개발되었다. 몇몇 이러한 편광측정 기술은 편광 격자 및 편광기[4]를 사용한다. 적용가능성의 이론적 연구 및 실험적 증명은 서브-파장 유전 격자[5]의 사용을 보였다. 다른 새로 개발된 기술은 입력 빔을 2개의 직교하는 편광의 빔 성분으로 분할하기 위한 방해석 결정의 사용을 포함한다. 방해석 결정의 축에 대하여 정상(ordinary) 및 이상(extra-ordinary) 편광을 가진 2개의 성분은 실시간 편광 측정값[6]을 얻기 위해 각각 상이한 검출기로 보내진다.

US 7,679,744는 스토크스 파라미터 측정 디바이스 및 스토크스 파라미터 측정 방법을 제공한다. 스토크스 파라미터 측정 디바이스는 복굴절 재료로 형성된 광학 부재를 포함하고, 이 광학 부재를 이용하여 측정할 신호 광을 복수의 편광된 광 빔으로 분할하고, 복수의 편광된 광 빔 사이의 하나 이상의 편광 상태를 조절하는 편광 분할 디바이스, 및 편광 분할 디바이스에 의해 분할되어 그로부터 방출되는 신호 광의 광 성분의 편광 변환을 수행하기 위한 광 수신부를 포함한다.

앞서 서술한 편광 측정 기술은 물론, 현재 존재하는 편광 측정 시스템들은 하나의 측정과 다음 측정 사이에 편광 부재의 기계적 회전을 결합하는 수번의 순차적 측정을 기초로 하므로, 비싸고 복잡하고 느리다[7].

광 빔의 전체 편광 상태, 즉, 공간 가변 편광 및/또는 파장 가변 편광에 대한 정보를 실시간으로 제공할 수 있는 새로운 편광 측정 기술에 대한 당 분야에서의 필요성이 존재한다. 본 발명은 광 빔의 공간 가변 편광 프로파일의 실시간 판정을 위한 새로운 접근법, 즉, 빔의 단면을 따른 편광 분포(프로파일)를 측정할 수 있는 기술을 제공한다. 또한, 이러한 측정은 빔을 가로지르는 편광 상태의 시간적 변화에 민감하다.

본 발명의 기술은 방사상으로 그리고 방위각으로(azimuthally) 편광된 빔과 같은 균일하지 않은 편광 분포를 가진 광 빔의 편광 측정 시스템 및 방법을 제공한다. 본 발명은 임의의 일반적인 또는 랜덤으로 편광된 광 빔의 시간 가변 편광 프로파일을 제공할 수 있다. 공간 및 시간 가변 편광 상태를 가진 광 빔은 현미경, 재료 처리, 입자의 트랩핑(trapping) 및 가속, 레이저 광 증폭, 및 편광 암호화 애플리케이션과 같은 다양한 애플리케이션에서 특히 유용하다.

본 발명의 편광 측정 기술은 입력 광 빔을 사전결정된 개수의 실질적으로 평행한 빔 성분으로 분할하는 것을 기초로 하는데, 각각의 빔 성분들은 다른 빔 성분에 대하여 편광 상태에서 사전결정된 천이(shift)를 가진다. 빔 성분들은 각각의 빔 성분 내의 강도 분포를 판정하기 위해 CCD 카메라와 같은 픽셀 매트릭스를 사용하여 동시에 검출된다. 입력 광 빔의 단면을 따른 편광 상태 분포는 스토크스 파라미터의 판정을 사용하여 빔 성분의 검출된 강도 분포에 따라 실시간으로 결정된다.

입력 광 빔의 편광 상태는 빔의 단면을 따른 스토크스 파라미터의 분포에 의해 설명될 수 있다. 스토크스 파라미터는 전자기 방사선의 편광 상태를 설명하는 4개의 값의 세트이며, 종종 백터(S₀, S₁, S₂, S₃)로 표현된다. 본 발명에 따라, 스토크스 파라미터는 픽셀 매트릭스에 의해 검출된 사전결정된 개수의 분할된 빔 성분 각각을 가로지르는 강도 분포에 따라 입력 빔의 단면에 따른 각각의 포인트(이미지 픽셀)에 대하여 결정된다.

입력 광 빔은 분할하는 동안 분할된 빔 성분 각각에 대한 상이한 편광 회전을 부과하도록 구성되어 있는 제1 편광 빔 분할기에 의해 특정한 개수(바람직하게는 3개)의 빔 성분으로 나누어진다. 복굴절 부재, 예컨대, 방해석 결정은 3개의 분할된 빔 성분의 광 경로 내에 위치하고, 각각의 이러한 빔 성분들을 복굴절 부재의 축에 대하여 정상 및 이상 편광의 한 쌍의 공간적으로 분리된 출력 빔 성분들로 더 분할하도록 구성되어 있다. 각각의 출력 빔 성분 내의 강도 분포는 상기 빔 성분의 광 경로 내에 위치한 픽셀 매트릭스에 의해 검출된다. 입력 광 빔의 편광 분포를 나타내는 스토크스 파라미터의 분포는 픽셀 매트릭스에 의해 검출된 출력 빔 성분의 강도 분포에 따라 결정될 수 있다. 입력 빔의 시간 의존 편광 상태는 상기 픽셀 매트릭스의 프레임 속도로 검출된 출력 빔 성분의 강도 분포에 따라 결정될 수 있다.

본 발명은 또한 파장의 함수인 편광 측정값을 제공할 수 있다. 이는 입력 광 빔의 상이한 파장 성분들을 공간적으로 분리시키기 위한 제1 편광 빔 분할기 및 복굴절 부재 사이의 격자를 사용함으로써 달성될 수 있다. 입력 빔의 파장 의존 및 1차원적 가변 편광 분포를 모두 얻기 위해 제1 편광 빔 분할기의 업스트림(upstream)에 위치하는 좁은 슬릿이 사용될 수 있다.

본 발명의 하나의 넓은 형태에 따라, 광 빔의 편광을 측정하는데 사용하기 위한 시스템이 제공되는데, 본 시스템은 입력 광 빔의 단면을 따른 편광 프로파일을 판정하도록 구성 및 동작한다. 본 시스템은 편광 빔 분할 어셈블리 및 픽셀 매트릭스를 구비한 광 시스템을 포함한다. 편광 빔 분할 어셈블리는 입력 광 빔을 빔 성분들 사이에 사전결정된 편광 관계를 가진 사전결정된 개수의 빔 성분들로 분할하도록 구성 및 동작한다. 편광 빔 분할 어셈블리는 입력 광 빔을 빔 성분들 사이에 특정한 편광 관계를 가진 제1의 복수의 빔 성분들로 분할하는, 입력 광 빔의 광 경로 내의 제1 편광 빔 분할기, 및 각각의 빔 성분을 한 쌍의 정상 및 이상 편광 성분으로 분할하여 상기 사전결정된 개수의 출력 빔 성분을 산출하는, 상기 제1의 복수의 빔 성분의 광 경로 내의 복굴절 부재를 포함한다. 픽셀 매트릭스는 픽셀 매트릭스로 입사하는 빔 내의 강도 분포를 검출한다. 픽셀 매트릭스는 출력 빔 성분의 실질적으로 교차하지 않는 광 경로 내에 위치하고, 각각 검출된 출력 빔 성분 내의 강도 분포를 나타내는 대응하는 개수의 출력 데이터 피스를 생성한다. 이들 데이터 피스에 포함된 데이터는 입력 광 빔의 단면을 따른 편광 프로파일을 나타낸다.

본 시스템은 픽셀 매트릭스의 출력부에 연결가능하고, 측정된 데이터(복수의 데이터 피스)를 수신하고, 각각의 출력 빔 성분 내의 강도 분포를 분석하고, 빔의 편광 프로파일을 나타내는 입력 광 빔의 스토크스 파라미터를 결정하도록 구성 및 동작하는 컨트롤 유닛에 연결된다.

바람직하게는, 본 시스템은 6개의 출력 빔 성분을 산출한다. 제1 편광 빔 분할기는 입력 광 빔으로부터 상이한 편광의 3개의 공간적으로 분리된 빔 성분을 산출하도록 구성 및 동작한다.

결정된 편광 프로파일은 입력 광 빔의 단면 내의 편광 성분의 공간 및 시간 변화에 대응할 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 제1 편광 빔 분할기는 시스템을 통과하는 광 진행의 광 축과 교차하는 이격된 실질적으로 평행한 평면 내에 수용된 제1 및 제2 반사면을 포함한다. 제1 반사면은 부분 반사적이고 입력 광 빔의 광 경로 내에 위치하는 세그먼트를 가져서, 상기 입력 광 빔을 상기 제1 편광 빔 분할기를 통해 복굴절 부재를 향해 전송되는 제1 부분 및 제2 반사면을 향해 반사되는 제2 부분으로 분할한다. 제2 반사면은 비교적 높은 반사율이고, 상기 제2 빔 부분을 제1 반사면의 세그먼트를 향해 반사한다. 그로인해, 제1 및 제2 반사면은 상기 입력 광 빔의 부분들을 이격된 광 경로를 따라 복굴절 부재로 진행하는 상기 제1 복수의 빔 성분들로 순차적으로 반사하고 분할하도록 함께 동작한다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 제1 편광 빔 분할기는 상기 제1 및 제2 반사면을 형성하는 반사 코팅으로 적어도 부분적으로 코팅된 제1 및 제2의 평행한 측면을 가진 광학적으로 투명한 판을 포함한다. 광학적으로 투명한 판의 제1 측면은 부분 반사면을 제공하도록 코팅되고, 입력 광 빔의 광 경로 내에 위치한 세그먼트를 가져서, 상기 입력 광 빔을 상기 제1 편광 빔 분할기를 통해 복굴절 부재를 향해 전송되는 제1 부분 및 제2 반사면을 향해 반사되는 제2 부분으로 분할한다. 광학적으로 투명한 판의 제2의 반대 측면은 높은 반사율의 면을 제공하도록 코팅된 세그먼트를 포함한다. 그로인해, 상기 광학적으로 투명한 판의 제1 및 제2 코팅면은 상기 입력 광 빔의 부분들을 이격된 광 경로를 따라 복굴절 부재로 진행하는 상기 제1 복수의 빔 성분들로 순차적으로 반사하고 분할하도록 동작한다. 몇몇 실시예에서, 제1 및 제2 반사면은 별개의 이격된 부재(미러)로 구성된다.

몇몇 실시예에서, 제1 및 제2 면은 광 축을 따라 사전결정된 각도를 형성하는 평면 내에 위치하여, 상기 제1 및 제2 면과 상호작용하는 빔 성분들의 편광 회전을 일으켜서, 상기 제1의 복수의 빔 성분들 내의 빔 성분 사이에 상기 사전결정된 편광 관계를 만든다. 이는 88도 각도 또는 33도 각도일 수 있다. 몇몇 다른 실시예에서, 제1 편광 빔 분할기는 제1 편광 빔 분할기로부터 복굴절 부재를 향하는 새로 생겨난 빔 성분들 사이에 상기 편광 관계를 제공하기 위해, 상기 제1 및 제2 반사면 사이에 위치하는 편광 회전기(예컨대, 광 축에 대하여 하나의 각도로 기울어진 4분의 1 파장판)를 포함한다. 이들 실시예 중 하나에서, 제1 편광 빔 분할기와의 빔 상호작용은 각각의 상호작용하는 빔 성분의 편광 성분 사이에 광 지연을 야기하여, 제1 편광 빔 분할기로부터 새로 생겨난 각각의 2개의 국부적으로 인접한 빔 성분 사이에 편광 회전 및 편광 차를 유도한다. 예를 들어, λ/4의 광 지연은 빔의 편광 성분들 사이에 π/2 위상차에 대응한다.

몇몇 실시예에서, 본 시스템은 제1 편광 빔 분할기와 복굴절 부재 사이에 위치하고, 입력 광 빔의 상이한 파장들을 회절시키도록 구성된 격자를 포함한다. 바람직하게는, 포커싱 렌즈 어셈블리가 격자로부터 복굴절 부재로 진행하는 빔 성분의 광 경로 내에 위치한다. 또한, 본 시스템은 입력 광 빔의 광 경로 내에 위치한 슬릿(구멍)을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 넓은 형태에 따라, 광 빔의 단면을 따른 편광 프로파일의 측정에 사용하기 위한 광학 디바이스가 제공되는데, 본 광 디바이스는 광 빔을 빔 성분 사이에 사전결정된 관계를 가진 6개의 빔 성분으로 분할하도록 구성 및 동작하는 편광 빔 분할 어셈블리를 포함하고, 상기 편광 빔 분할 어셈블리는 상기 광 빔을 3개의 이격된 실질적으로 평행한 광 경로를 따라 진행하는 빔 성분 사이의 특정한 편광 관계를 가진 3개의 이격된 빔 성분들로 분할하도록 구성된, 상기 광 빔의 광 경로 내의 제1 편광 빔 분할기, 및 각각의 상기 3개의 빔 성분을 한 쌍의 정상 및 이상 편광 성분들로 분할하여 상기 6개의 빔 성분들을 산출하는, 상기 광 경로 내에 위치하는 복굴절 부재를 포함하고, 광 빔의 상기 6개의 빔 성분들 내의 강도 분포는 상기 광 빔의 단면을 따른 편광 프로파일을 나타낸다.

본 발명의 또 다른 형태에 따라, 광 빔의 편광을 측정하는데 사용하기 위한 방법이 제공되는데, 본 방법은 광 빔을 각각의 쌍이 정상 및 이상 편광 성분들을 포함하는, 쌍 사이에 사전결정된 편광 관계를 가지는 3쌍의 빔 성분들로 분할하는 단계, 각각의 상기 6개의 빔 성분 내의 강도 분포를 측정하는 단계, 6개의 빔 성분의 강도 분포를 분석하는 단계, 및 광 빔의 단면을 따른 편광 프로파일을 결정하는 단계를 포함한다.

이제, 본 발명을 이해하고 본 발명이 어떻게 실시될 수 있는지 알기 위해, 제한하지 않는 예로서 아래의 첨부된 도면을 참조하여 실시예들이 서술될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 공간 가변 편광 측정을 위한 시스템을 블록 다이어그램으로 도시한다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 실시예에 따른 편광 측정 시스템의 두 가지 예를 도시하는데, 도 2a의 시스템에서는 반사면이 투명한 판의 양측에 반사코팅함으로써 구현되고, 도 2b의 시스템에서는 반사면이 이격된 개별적인 부재의 반사면이다.
도 3a-3c 및 4a-4c는 본 발명의 편광 측정 시스템을 사용한 광 빔 편광 측정의 출력을 도시하는데, 제1 평면(수평) 내의 선형 편광(도 3a 및 4a), 제1 평면에 대하여 45° 방향인 제2 평면 내의 선형 편광(도 3b 및 4b), 및 원형 편광(도 3c 및 4c)에 대하여, 도 3a-3c는 출력 빔 성분의 강도 분포를 도시하고, 도 4a-4c는 계산된 스토크스 파라미터를 도시한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 편광 측정 시스템을 도시하다.
도 6a 내지 6c는 방사상으로 편광된 광 빔에 대한 시뮬레이팅된 스토크스 파라미터(도 6a), 스토크스 파라미터에 대한 실험 결과(도 6b), 및 편광 맵(도 6c)을 도시한다.
도 7a 내지 7c는 방위각으로 편광된 광 빔에 대한 시뮬레이팅된 스토크스 파라미터(도 7a), 스토크스 파라미터에 대한 실험 결과(도 7b), 및 편광 맵(도 7c)을 도시한다.
도 8은 본 발명에 따라 구성된 시스템에 의해 측정된 입력 빔의 시변 편광 상태를 도시한다.
도 9는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파장 가변 편광에 대한 편광 측정 디바이스를 도시한다.
도 10a 내지 10d는 편광된 조명을 통해 이미지화한 실험 결과를 도시한다.
도 11a 내지 11b는 2개의 파장을 가진 레이저 광에 대한 파장 의존 편광 상태의 측정을 도시한다.

이제, 입력 광 빔(10)의 공간 및 시간 가변 편광 측정을 위한 본 발명의 시스템(100)의 블록 다이어그램을 도시하는 도 1을 참조한다. 시스템(100)은 입력 광 빔(10)의 단면을 따른 편광 프로파일을 판정하도록 구성 및 동작가능하다. 시스템(100)은 편광 빔 분할 어셈블리(50) 및 픽셀 매트릭스(60)를 포함한다. 편광 빔 분할 어셈블리(50)는 입력 광 빔(10)을 그들 간에 사전결정된 편광 관계를 가진 사전결정된 개수의 빔 성분으로 분할하도록 구성 및 동작가능하다. 픽셀 매트릭스(60)는 출력 빔 성분의 광 경로와 실질적으로 교차하지 않도록 배치되고, 분할된 빔 성분을 수신하고, 각각의 빔 성분 내의 강도 분포를 검출한다. 픽셀 매트릭스(60)는 각각 출력 빔 성분 내의 강도 분포를 나타내는 대응하는 개수의 출력 데이터 피스(pieces)를 생성한다. 이러한 데이터 피스 내에 포함된 데이터는 입력 광 빔의 단면을 따른 편광 프로파일을 나타낸다.

도면에 도시된 바와 같이, 편광 빔 분할 어셈블리(50)는 입력 광 빔(10)을 선형 편광을 정의하는 사전결정된 축(수직 및 수평 축)에 대하여 그들 간의 사전결정된 편광 관계를 가지는 사전결정된 개수의 빔 성분(I₁-I_n)으로 분할한다. 분할된 빔 성분(I₁-I_n)은 출력 빔 성분의 광 경로 내에 위치하는 하나 이상의 픽셀 매트릭스(60)에 의해 검출된다. 입력 빔(10)의 편광 상태는 복수의 빔 성분(I₁-I_n) 각각의 검출된 강도 분포에 대응하는 데이터 피스를 분석함으로써 판정된다. 이 때문에, 시스템(100)은 컨트롤 유닛(80)에 연결된다(예컨대, 시스템의 구성부로서 컨트롤 유닛을 포함하거나, 유선 또는 무선 신호 전송을 통한 외부 컨트롤 유닛과 연결하기 위한 통신 포트를 가진다). 전형적으로, 컨트롤 유닛(80)은 그중에서도 광 빔 내의 강도 분포에 각각 대응하는 복수의 데이터 피스를 수신하고, 이들 데이터 피스를 처리하고, 이러한 빔 성분이 유래된 입력 빔의 스토크스(Stokes) 파라미터를 판정하고, 이를 나타내는 출력 데이터를 생성하는 데이터 처리 및 분석 유틸리티를 포함하는 컴퓨터 시스템이다. 출력 데이터는 빔 전체에 걸친 스토크스 파라미터 분포의 형태, 또는 빔 전체에 걸친 편광 프로파일의 형태일 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예에 따라, 편광 빔 분할 어셈블리(50)는 제1 편광 빔 분할기 및 복굴절(birefringent) 부재를 포함한다. 제1 편광 빔 분할기(52) 및 복굴절 부재(54), 예컨대, 방해석 결정을 구비한 편광 빔 분할 어셈블리(50)를 포함하는 편광 측정 시스템(100)을 각각 예로서 도시하는 도 2a 및 2b를 참조한다. 편광 빔 분할기(52)는 시스템을 통한 광 진행의 광 축과 교차하는 이격된 실질적으로 평행한 평면 내에 수용된 2개의 반사면을 형성한다. 도 2a의 예에서, 이러한 이격된 반사면은 공통의 투명한 부재의 양측면 상의 반사 코팅에 의해 구성된다. 더욱 상세하게는, 편광 빔 분할기(52)는 부분반사면(52A) 및 고 반사면(52B)을 형성하도록 반사 코팅이 양 측상에 코팅된 투명판이다. 도 2b의 예에서, 이격된 반사면은 분리된 부재로 구성된다. 더욱 상세하게는, 편광 빔 분할기(52)는 시스템을 통한 광 진행의 방향을 따라 이격된 관계로 배열된 실질적으로 평행한 평면 내에 위치하는 한 쌍의 이격된 반사 부재를 포함한다.

두 예에서, 제1 반사면(52a)은 부분반사적이고(대략 광 빔의 80-98%가 반사되고), 제2 반사면(52b)은 고반사율(거의 100% 반사율)이다. 2개의 이격된 실질적으로 평행한 반사면은 입력 광 빔(10)의 광 경로 내에 위치하고, 입력 빔 진행 축에 의해 형성된 광 진행의 광학적 축에 대하여 임의의 각도만큼 기울어진다. 상이한 반사율의 반사면의 이러한 배열과 광 빔 상호작용은 부분 반사면과의 빔 상호작용 동안 빔 분할, 및 반사면 중 하나와 그것의 각각의 상호작용에서 빔의 편광 회전을 야기한다. 더욱 상세하게는, 기울어진 반사면과 빔의 상호작용은 분할되는 빔의, 횡의 전기(TE) 및 횡의 자기(TM) 편광 성분 사이에, 또는 수평 및 수직 편광 성분 사이에 (위상차를 부과하는) 광 지연을 부과한다.

편광 회전이 광 빔의 상이한 편광 성분 사이에 광 지연의 결과임을 이해해야 한다. λ/4의 광 지연은 상이한 편광 성분 사이에 π/2의 위상차로 나타난다. 용어 위상차(예컨대, λ/4의 위상차)는 명료함을 강화시키기 위해 광 지연을 정의하는데 사용된다.

본 예에 도시된 바와 같이, 광 축을 따라 진행하는 입력 광 빔은 부분 반사면(52a)에 출동하고, 면(52a)을 통해 복굴절 부재(54)를 향해 전파되고 입력 광 빔(10)과 동일한 편광을 가진 제1 빔 성분(12), 및 반사면(52a)으로부터 빔 성분(14)을 다시 면(52a)으로 반사하는 제2 반사면(52b)을 향해 반사되는 제2 빔 성분(14)으로 분할된다. 기울어진 면(52a 및 52b)에 의한 빔의 순차적인 반사는 수직 및 수평 편광 성분 사이에 λ/4 위상차를 야기한다. λ/4의 광 지연(편광 성분 간의 위상차)은 본 발명의 기술에 따른 측정된 스토크스 파라미터에 대한 최적의 신호대 잡음비를 산출한다. 그러나, 편광 성분 사이의 위상차(광 지연)는 λ/3 또는 λ/5와 같은 λ/4의 주변 값일 수도 있지만, 이러한 구성은 스토크스 파라미터 판정 프로세스에 어느 정도의 수정을 필요로 한다. 빔 성분(14)은 면(52a)과 상호작용할 때 복굴절 부재(54)를 향해 부분적으로 전파되는 빔 성분(14) 및 빔 성분을 복굴절 부재(54)로 부분적으로 전달하는 면(52a)으로 빔 성분을 다시 반사하는 면(52b)을 향해 부분적으로 반사되는 빔 성분(16)으로 분할된다. 몇몇 구성에서, 반사면(제1 편광 빔 분할기(52))의 기울어진 각은 각각의 반사시 횡의 전기적(TE) 및 횡의 자기적(TM) 편광 성분 사이에 λ/8 위상차, 즉, 2번의 반사 후 λ/4 위상차를 부과하도록 정해진다. 다른 구성은 각각의 반사가 편광 성분들 사이에 λ/16 위상차를 부과하도록 다른 틸팅 각으로 배열될 수 있다. 이러한 구성에서, 오직 홀수의 전송된 성분만 사용되고, 마스크(56)는 짝수의 전송된 빔 성분을 차단하기 위해 사용될 수 있다. 면(52a 및 52b)과 빔의 이러한 순차적 상호작용은 제3의 빔 성분(16)이 두 편광 성분 사이에 λ/2 위상차를 축적하게 한다. 상이한 편광 상태를 가지는 이렇게 만들어진 실질적으로 평행한 빔 성분(12, 14, 및 16)은 이러한 빔 성분을 각각 정상 및 이상 편광 성분으로 분할하는 복굴절 부재(54)를 통과하여 진행한다. 그러므로, 복굴절 부재(54)는 3개의 입사 빔 성분을 6개의 출력 빔(I₁ 내지 I₆)으로 분할하는데, 빔(I₁ 및 I₂)은 빔(12)의 정상 및 이상 편광 성분이고, 빔(I₃ 및 I₄)은 빔(14)의 정상 및 이상 편광 성분이고, 빔(I₅ 및 I₆)은 빔(16)의 정상 및 이상 편광 성분이다.

그러므로, 본 예에서, 편광 빔 분할기(52)는 2개의 이격된 반사면(52a 및 52b)을 형성한다. 이는 광학적으로 투명한 판(52)의 2개의 맞은편 벽에 적절한 반사 코팅(예컨대, 은 코팅)을 제공함으로써 구현될 수 있다. 코팅(52a)은 부분 반사율, 대략 80%-98%의 반사율, 예컨대, 90% 반사율이 되도록 구성된다. 반대편 벽의 코팅(52b)은 입력 광 빔(10)을 상기 벽을 통해 진행시키기 위해 상기 벽의 일부분만 커버하고, 거의 100% 반사율이 되도록 구성된다. 그러므로, 입력 빔(10)은 투명한 코팅되지 않은 영역을 통과하여 진행하고, 부분 반사 코팅(52a)과 상호작용할 때 투명 판 내에서 앞뒤로 산란하여, 부분 반사 코팅(52a)을 통해 복굴절 부재로 전송되는 복수의 평행한 분할된 빔 성분의 형성을 야기한다.

앞서 언급한 바와 같이, 광 축에 대하여 반사면(52a 및 52b)의 기울어진 각도는 편광 빔 분할기(52)로부터 새로 생긴 광 입력 빔(10)의 편광 성분 사이에 적절한 위상차를 부과하도록 선택된다. 예컨대, 결합파 분석(coupled wave analysis)을 기초로, 본 발명자는 도 2a의 구성에서, 금 코팅 반사면이 사용된 때, 광 축에 대하여 33°의 틸트 각을 가진 반사면(52a 및 52b)을 수용하는 것은 편광 빔 분할기(52)로부터 새로 생겨난 각각의 출력 빔의 TE 및 ME 편광 성분 사이에 λ/16 위상차를 야기한다는 것을 알게 되었다. 이러한 구성에서, 편광 측정을 위해 사용되는 3개의 분할된 빔 성분은 오직 제1 반사면(52a)을 통과하여 복굴절 부재(54)로 전송되는 홀수 빔 성분이고, 원하지 않는 짝수의 전송된 빔 성분을 차단하기 위해 마스크(56)가 사용된다. 광 축에 대하여 88°의 틸트 각을 가진 동일한 구성을 사용하는 것은 TE 및 ME 편광 성분 사이에 λ/8 위상차를 야기하여, 빔 성분(12, 14, 및 16) 사이에 적절한 편광차를 부과하기 위해 편광 빔 분할기(52) 내에 더 적은 반사 횟수가 필요로 된다. 도 2b의 구성을 사용하여, 즉, 68°의 틸트 각을 사용한 한 쌍의 이격된 반사면(52a 및 52b)을 사용하여, 동일한 효과가 달성될 수 있다.

정확한 틸트 각이 면(52a 및 52b)의 반사 코팅에 따라, 그리고 (도 2a의 구성을 사용하여) 사용된 투명판의 굴절율에 따라 상이할 수도 있음을 이해해야 한다. 또한, 입력 광 빔의 TE 및 TM 편광 모드에 대한 각각의 굴절시 부과되는 위상차는 (약하지만) 입력 빔의 파장에 의존한다.

6개의 출력 빔(I₁ 내지 I₆)은 픽셀 매트릭스(60), 예컨대, CCD 카메라의 광 감응면의 각각의 이격된 영역 상으로 입사된다. 픽셀 매트릭스의 전기적 출력(측정 데이터 MD)은 6개의 데이터 피스를 포함하는데, 각각의 데이터 피스는 각각의 출력 빔 성분의 단면에서의 강도 분포를 나타낸다. 출력 빔 성분의 강도 분포의 측정 데이터 MD는 입력 광 빔(10)의 편광 상태를 판정하기 위해 이러한 데이터를 처리하는 컨트롤 유닛(80, 도 1 참조)으로 전달되며, 이는 아래에 더 설명될 것이다.

도 3a 내지 3c는 도넛 형상의 입력 광 빔의 수평 선형 편광(도 3a), 45° 선형 편광(도 3b), 및 원형 편광(도 3c)에 대한 6개의 출력 빔(I₁-I₆)의 3개의 이미지를 도시한다. 도 4a 내지 4c는 대응하는 스토크스 파라미터 분포를 도시한다.

컨트롤 유닛(80, 도 1 참조)은 도 3a-3c의 이미지를 나타내는 측정 데이터를 수신하고, 스토크스 파라미터를 결정하기 위해 이러한 데이터를 처리하도록 동작한다. 입력 빔의 단면 내의 임의의 지점(x,y)에서의 스토크스 파라미터는 아래의 식 세트에 따라 출력 빔 성분으로부터 판정될 수 있다.

여기서, S₀(x,y)는 입력 빔 강도 분포이고, S₁(x,y), S₂(x,y) 및 S₃(x,y)는 입력 빔의 단면 내의 각각의 지점에서의 편광 상태 분포를 나타내고, I₁ 및 I₂는 제1 빔 성분(12)의 정상 및 이상 편광 성분의 강도 분포이고, I₃ 및 I₄는 빔 성분(14)의 정상 및 이상 편광 성분의 강도 분포이고, I₅ 및 I₆은 빔 성분(16)의 정상 및 이상 편광 성분의 강도 분포이고, α, β, 및 γ는 아래의 식에 의해 얻어진 정규화 상수이다.

및

정규화 파라미터 α, β, 및 γ는 또한 더 복잡하거나 균일하지 않은 광 빔, 및/또는 광 셋업 또는 픽셀 매트릭스 내의 불균일함을 고려하기 위해 공간적으로 의존적일 수 있다.

도 4a-4c는 결정된 스토크스 파라미터를 보여준다. 예상한 바와 같이, 수평 선형 편광(도 4a)에 대하여, 광의 대부분의 강도는 스토크스 파라미터 S1 내에서 관측된다. 45° 선형 편광(도 4b)을 가진 입력 빔의 측정값은 광의 대부분의 강도는 스토크스 파라미터 S2에 집중됨을 보여주고, 원형 편광 입력 빔에 대하여 대부분의 강도는 S3에서 관측된다(도 4c). 본 디바이스는 교정된(calibrated) 광 빔의 알고 있는 편광에 대응하지 않는 다른 스토크스 파라미터 내의 바람직하지 않은 잔여 강도를 1% 미만으로 산출하여, 1% 미만의 추정 오차를 산출한다.

이제 본 발명에 따른 편광 측정 시스템(100)의 다른 예를 도시하는 도 5를 참조한다. 이해를 돕기 위해, 모든 예에서 공통적인 구성요소를 식별하기 위해 동일한 참조 번호가 사용된다. 본 예에서, 편광 빔 분할기(52)는 이격된 실질적으로 평행한 평면에 배치된 제1 부분 반사 부재(미러)(52a), 제2 고반사 부재(미러)(52b), 및 2개의 미러 사이에 위치하고 그들과 실질적으로 평행한 4분의1 파장판(53)을 포함한다. 입력 광 빔(10)은 편광 빔 분할기(52)(미러(52a 및 52b) 및 편광 회전기(53))와 상호작용하는 동안 복굴절 부재(54)로 진행하는 상이한 편광의 3개의 평행한 빔 성분(12, 14, 및 16)으로 분할된다. 편광 빔 분할기(52)는 입력 광 빔의 진행에 의해 형성된 광 축에 대하여 작은 각(전형적으로 10도 미만)으로 기울어진다. 이러한 각도는 원하는 편광차가 빔 성분들이 편광 회전기(53)를 통과함으로써 주로 유도되도록, 반사 미러로 인한 빔 편광의 변화를 최소화하기 위해 비교적 작다. 3개의 분할된 빔 성분(12, 14, 및 16)의 광 경로 내에 위치하는 복굴절 부재(54)는 그 주축이 4분의 1 파장판(53)의 축에 대하여 225°의 각도로 기울어지도록 배열된다. 복굴절 부재(54)는 각각의 빔 성분(12, 14, 및 16)을 한 쌍의 정상 및 이상 편광 성분으로 분할하여, 픽셀 매트릭스(60)에 의해 검출되는 상이한 편광의 6개의 출력 빔 성분(I₁ 내지 I₆)을 산출한다.

방사상으로 그리고 방위각으로(azimuthally) 편광된 광 빔의 편광 측정은 도 6a-6c 및 7a-7c에 도시되어 있다. 이들 도면은 방사상으로 편광된 광 빔(도 6a-6c) 및 방위각으로 편광된 광 빔(도 7a-7c)에 대한 스토크스 파라미터의 시뮬레이팅된 분포(도 6a 및 7a), 본 발명에 따른 측정된 스토크스 파라미터(도 6b 및 8b), 및 편광 분포의 시뮬레이팅된 백터 맵(도 6c 및 7c)을 도시한다. 시뮬레이션된 것과 실험적 스토크스 파라미터 사이의 차이는 임의의 실제적 광 시스템에서 일어날 수 있는 불완전성의 결과일 수 있다.

앞서 서술한 바와 같이, 편광 측정을 위한 본 발명의 기술은 또한 입력 광 빔의 시변 편광 프로파일을 제공할 수 있다. 픽셀 매트릭스(60)로 구성된 간단한 CCD 카메라는 측정값 사이에 최대 10ms의 측정 속도를 제공할 수 있다. 더 빠른 카메라(더 높은 프레임 속도)의 사용은 더 높은 시간 레졸루션의 측정값을 제공할 수 있다.

도 8은 본 발명의 시스템을 사용하여 측정된, 정규화된 푸엥카레 구면(Poincare sphere)에 표시된 시간의 함수로서 입력 빔의 단면 내의 3개의 점 P1-P3에서 스토크스 파라미터의 궤적을 예시한다. 본 예에서, 입력 광 빔은 방사상으로 편광된 빔이고, 0.07의 개구수(numerical aperture), 22μm의 코어 직경, 및 125μm의 클래딩 직경을 가진 큰 모드 면적 섬유 증폭기(large mode area fiber amplifier)를 통해 전송된다. 증폭기가 켜진 때, 섬유 증폭기 내의 온도 및 응력 변화는 광 빔 내의 편광 변화을 유도한다. 입력 빔의 편광 상태는 10ms 프레임 속도를 가진 CCD 카메라를 사용하는 본 발명의 시스템에 의해 측정되었다.

이제, 빔을 가로지르는 공간 좌표가 아니라 파장의 함수인 실시간 편광 상태를 얻기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 구성된 편광 측정 디바이스(110)를 도시하는 도 9를 참조한다. 앞서 서술한 예와 유사한 시스템(110)은 (도 2를 참조하여 앞서 서술한 것과 유사하게 구성된) 제1 편광 빔 분할기(52), 복굴절 부재(54), 및 픽셀 매트릭스(60)를 포함한다. 또한, 시스템(110) 내에 편광 빔 분할기(52)로부터 진행하는 분할된 빔 성분(12, 14, 및 16)의 광 경로 내에 위치하는 격자(70), 및 격자(70)로부터 복굴절 부재(54)를 향해 진행하는 광 경로 내의 포커싱 렌즈 어레이(75)가 제공되어 있다. 복굴절 부재로 입사한 빔 성분들은 입력 빔의 스펙트럼에 대응한다. 복굴절 부재(54)는 각각의 입사 빔 성분을 정상 및 이상 편광 성분으로 분할하여, 픽셀 매트릭스(60)에 의해 검출되는 6개의 출력 빔 성분(I₁-I₆)을 산출한다. 픽셀 매트릭스의 출력은 6개의 상이한 편광 성분의 스펙트럼을 나타내는 6개의 데이터 피스를 포함하는 측정 데이터를 나타낸다. 입력 광 빔 내의 각각의 파장에 대한 편광 상태는 상기 식 1-4에 따라 6개의 검출된 스펙트럼으로부터 결정된다.

도 9에 도시된 실시예는 또한 1차원을 따른 공간 가변 및 파장 가변 편광 측정을 위해 구성될 수 있다. 이는 입력 광 빔(10)의 광 경로 내의 슬릿(58)을 제공함으로써 달성될 수 있다. 이러한 구성에서, 슬릿(58)은 광 입력 빔의 단면의 좁은 스트립만이 입력 빔(10)의 스펙트럼 및 공간의 변화에 모두 대응하는 출력 강도 분포를 야기하는 시스템으로 들어가는 것을 허용한다.

공간 가변 편광 측정에서 본 발명의 능력을 증명하기 위해, 본 발명자는 입력으로서 균열 있고 응력을 받고 있는(stressed) 유리판을 통해 전송되는 선형적으로 편광된 광을 사용하여 하나의 세트의 실험을 행하였다. 유리 내의 균열 및 응력은 TE 및 TM 편광 사이에 위상 천이를 부과하여, 입력 광의 편광 상태에 영향을 준다. 빔을 가로지르는 각각의 지점에서의 전체 편광 상태는 본 발명에 따라 구성된 시스템에 의해 측정되었다. 도 10a 내지 10d는 판을 가로지르는 3개의 스토크스 파라미터에 따라 이미지화되는 균열 있는 유리판을 이미지화함에 의한 실험 결과를 보여준다. 도 10a은 균열된 유리판의 이미지를 도시하고, 도 10b 내지 10d는 각각 스토크스 파라미터 S₁ 내지 S₃를 계산함으로써 수신된, 유리판의 이미지를 도시한다. 이들 도면은 (S₃ 스토크스 파라미터에 대응하는) 원형 편광된 일루미네이션에서 더 높은 컨트라스트를 가지는 응력 라인을 도시하는데, 이는 입력된 선형 편광된 광이 유리판을 통해 전송될 때 원형 편광된 광으로 변환되었음을 나타낸다. 파장 가변 편광 측정은 도 11a-11b에 도시되어 있다. 이들 도면은 2개의 레이징 파장을 가진 섬유 레이저로부터의 광의 스펙트럼(도 11a), 및 정규화된 푸엥카레 구면 상의 대응하는 편광 상태(도 11b)를 보여준다. 측정 시스템은 제1 편광 빔 분할기(52)와 복굴절 부재(54) 사이에 삽입된 격자(70)를 사용하여 도 9에 서술된 것과 유사한 방식으로 구성되었다. 격자(70)는 출력 빔 성분으로 퍼지는 파장을 유도하고 CCD에 스펙트럼 이미지를 제공하여, 각각의 특정한 파장에서의 편광이 동시에 판정될 수 있다. 이러한 수정된 구성은 시간의 함수로서 2개의 파장을 가진 섬유 레이저로부터 새로 발생하는 광의 편광 상태의 측정을 가능하게 한다. 도 11a 및 11b는 특정한 시간에 결과를 나타내는데, 도 11a는 섬유 레이저로부터의 광의 스펙트럼을 도시하고, 이때 2개의 레이징 파장은 λ₁ 및 λ₂로 표시되며, 도 11b는 정규화된 푸엥카레 구면 상에 대응하는 편광 상태를 도시한다. 2개의 레이징 파장이 푸엥카레 구면 상에서 정반대의(antipodal) 지점에 있음을 알 수 있는데, 이는 그들의 편광 상태가 직교함을 나타낸다.

그러므로, 본 발명은 실시간으로 단색, 다색, 또는 무색의 광 빔인 광 빔의 공간 가변 편광을 측정하기 위한 컴팩트한 시스템 구성을 제공한다. 본 발명의 기술은 98.5%의 정확도로 입력 빔의 각각의 지점 또는 각각의 파장 중 하나에서 전체 편광 상태를 얻는 것을 제공한다. 이러한 구성은 또한 공간 가변 및 파장 가변 편광 상태를 동시에 측정할 수도 있다.

Claims

광 빔의 편광을 측정하는데 사용하기 위한 시스템으로서,
상기 시스템은 입력 광 빔의 단면을 따른 편광 프로파일을 판정하도록 구성 및 동작하고, 광 시스템을 포함하고,
상기 광 시스템은:
상기 입력 광 빔을 빔 성분들 사이에 사전결정된 편광 관계를 가지는 사전결정된 개수의 빔 성분으로 분할하도록 구성 및 동작하는 편광 빔 분할 어셈블리; 및
입사하는 빔 내의 강도 분포를 검출하기 위한 픽셀 매트릭스를 포함하고,
상기 편광 빔 분할 어셈블리는 상기 입력 광 빔을 빔 성분 사이에 특정한 편광 관계를 가진 제1의 복수의 빔 성분으로 분할하는, 상기 입력 광 빔의 광 경로 내의 제1 편광 빔 분할기, 및 각각의 빔 성분을 정상 및 이상 편광을 가진 한 쌍의 빔으로 분할하는, 상기 제1의 복수의 빔 성분의 광 경로 내의 복굴절 부재를 포함하고, 사전결정된 개수의 출력 빔 성분을 생성하고,
상기 픽셀 매트릭스는 상기 출력 빔 성분의 실질적으로 교차하지 않는 광 경로 내에 위치하고, 각각 상기 출력 빔 성분 내의 강도 분포를 나타내는 대응하는 개수의 출력 데이터 피스를 생성하고, 상기 데이터 피스 내에 포함된 데이터는 상기 입력 광 빔의 단면을 따른 편광 프로파일을 나타내는 것을 특징으로 하는 광 빔의 편광을 측정하는데 사용하기 위한 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 픽셀 매트릭스의 출력부에 연결가능하고, 상기 데이터 피스를 수신하고, 각각의 출력 빔 성분 내의 강도 분포를 분석하고, 상기 편광 프로파일을 나타내는 입력 광 빔의 스토크스 파라미터를 판정하도록 구성 및 동작하는 컨트롤 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 빔의 편광을 측정하는데 사용하기 위한 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 출력 빔 성분의 상기 사전결정된 개수는 6개인 것을 특징으로 하는 광 빔의 편광을 측정하는데 사용하기 위한 시스템.
제 3 항에 있어서, 상기 제1 편광 빔 분할기는 상기 입력 광 빔으로부터 3개의 빔 성분을 포함하는 상기 제1의 복수의 빔 성분을 산출하도록 구성 및 동작하는 것을 특징으로 하는 광 빔의 편광을 측정하는데 사용하기 위한 시스템.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편광 프로파일은 상기 입력 광 빔의 단면 내의 공간 및 시간 가변 편광 성분에 대응하는 것을 특징으로 하는 광 빔의 편광을 측정하는데 사용하기 위한 시스템.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 편광 빔 분할기는 상기 시스템을 통과하는 광 진행의 광 축과 교차하는 이격된 실질적으로 평행한 평면 내에 수용된 제1 및 제2 반사면을 포함하고,
상기 제1 반사면은 부분 반사적이고, 상기 입력 광 빔의 광 경로 내에 위치하는 반사면의 세그먼트를 포함하여 상기 입력 광 빔을 상기 제1 편광 빔 분할기를 통해 상기 복굴절 부재를 향해 전송되는 제1 부분 및 상기 제2 반사면을 향해 반사되는 제2 부분으로 분할하고, 상기 제2 반사면은 비교적 높은 반사율이고, 상기 제2 빔 부분을 상기 제1 반사면의 세그먼트를 향해 반사하고, 상기 제1 및 제2 반사면은 상기 입력 광 빔의 부분들을 공간적으로 분리된 광 경로를 따라 상기 복굴절 부재로 진행하는 상기 제1의 복수의 빔 성분으로 순차적으로 반사하고 분할하도록 함께 동작하는 것을 특징으로 하는 광 빔의 편광을 측정하는데 사용하기 위한 시스템.
제 6 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 면은 상기 광 축과 사전결정된 각도를 형성하는 평면 내에 위치하여, 상기 제1 및 제2 면과 상호작용하여 빔 성분의 편광 회전을 일으켜, 상기 제1의 복수의 빔 성분 내의 빔 성분들 사이에 상기 사전결정된 편광 관계를 산출하는 것을 특징으로 하는 광 빔의 편광을 측정하는데 사용하기 위한 시스템.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 반사면과의 상호작용은 상기 제1 및 제2 면으로부터 상기 복굴절 부재를 향해 진행하는 빔 성분들이 2개의 가까이 인접한 빔 성분의 편광 성분 사이에 λ/4 광 지연을 가진 상기 복수의 빔 성분을 포함하도록, 상기 빔 성분에 편광 회전을 적용하는 것을 특징으로 하는 광 빔의 편광을 측정하는데 사용하기 위한 시스템.
제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 편광 빔 분할기는 상기 제1 및 제2 면을 형성하는 반사 코팅으로 적어도 부분적으로 코팅된 제1 및 제2의 맞은편의 평행한 측면을 가진 광학적으로 투명한 판을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 빔의 편광을 측정하는데 사용하기 위한 시스템.
제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 반사면은 2개의 이격된 개별적인 부재의 표면인 것을 특징으로 하는 광 빔의 편광을 측정하는데 사용하기 위한 시스템.
제 10 항에 있어서, 상기 제1 편광 빔 분할기는 상기 제1 편광 빔 분할기로부터 상기 복굴절 부재를 향하는 새로 생성된 빔 성분들 사이에 상기 편광 관계를 제공하기 위해 상기 제1 및 제2 반사면 사이에 위치하는 편광 회전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 빔의 편광을 측정하는데 사용하기 위한 시스템.
제 11 항에 있어서, 상기 편광 회전기는 상기 광 축에 대하여 하나의 각도로 기울어져 있고, 국부적으로 인접한 빔 성분의 각각의 쌍에 대하여 λ/4에 대응하는 위상차를 부과하도록 구성된 4분의 1 파장판을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 빔의 편광을 측정하는데 사용하기 위한 시스템.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 편광 빔 분할기와 상기 복굴절 부재 사이에 위치하는 격자를 포함하고, 상기 격자는 상기 입력 광 빔의 상이한 파장들에 대응하는 편광 측정을 가능하게 하기 위해 상기 입력 광 빔의 상이한 파장들을 회절시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 광 빔의 편광을 측정하는데 사용하기 위한 시스템.
제 13 항에 있어서, 상기 격자로부터 상기 복굴절 부재로 진행하는 상기 빔 성분들의 광 경로 내에 포커싱 렌즈 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 빔의 편광을 측정하는데 사용하기 위한 시스템.
제 13 항 또는 제 14 항에 있어서, 상기 입력 광 빔의 광 경로 내에 위치하는 슬릿을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 빔의 편광을 측정하는데 사용하기 위한 시스템.
제 3 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 픽셀 매트릭스의 출력부에 연결가능하고, 상기 데이터 피스를 수신하고, 상기 각각의 출력 빔 성분 내의 강도 분포를 분석하고, 그리고 상기 편광 프로파일을 나타내는 상기 입력 광 빔의 스토크스 파라미터를 판정하도록 구성 및 동작하는 컨트롤 유닛을 포함하고, 상기 입력 빔의 단면 내의 임의의 지점(x,y)에서의 스토크스 파라미터는 아래의 식의 세트에 따라 상기 출력 빔 성분으로부터 결정되고,

이 때, S₀(x,y)는 입력 빔 강도 분포이고, S₁(x,y), S₂(x,y) 및 S₃(x,y)는 상기 입력 빔의 단면 내의 각각의 지점에서의 편광 상태 분포를 나타내고; I₁ 및 I₂는 상기 제1 편광 빔 분할기로부터 새로 생겨난 상기 제1 빔 성분의 정상 및 이상 편광 성분의 강도 분포이고, I₃ 및 I₄는 상기 제1 편광 빔 분할기로부터 새로 생겨난 상기 제2 빔 성분의 정상 및 이상 편광 성분의 강도 분포이고, I₅ 및 I₆은 상기 제1 편광 빔 분할기로부터 새로 생겨난 상기 제3 빔 성분의 정상 및 이상 편광 성분의 강도 분포이고; α, β 및 γ는 정규화 상수인 것을 특징으로 하는 광 빔의 편광을 측정하는데 사용하기 위한 시스템.
광 빔의 단면을 따른 편광 프로파일의 측정에 사용하기 위한 광 시스템으로서, 상기 광 시스템은:
광 빔을 빔 성분 사이에 사전 결정된 편광 관계를 가진 6개의 빔 성분으로 분할하도록 구성 및 동작하는 편광 빔 분할기 어셈블리를 포함하고,
상기 편광 빔 분할 어셈블리는 상기 광 빔을 3개의 이격된 실질적으로 평행한 광 경로를 따라 진행하는 빔 성분들 사이에 특정한 편광 관계를 가지는 3개의 공간적으로 분리된 빔 성분으로 분할하도록 구성된, 상기 광 빔의 광 경로 내의 제1 편광 빔 분할기, 및 상기 3개의 빔 성분 각각을 한 쌍의 정상 및 이상 편광 성분으로 분할하여 상기 6개의 빔 성분을 산출하는, 상기 광 경로 내에 위치하는 복굴절 부재를 포함하고; 상기 광 빔의 상기 6개의 빔 성분 내의 강도 분포는 상기 광 빔의 단면을 따른 편광 프로파일을 나타내는 것을 특징으로 하는 광 빔의 단면을 따른 편광 프로파일의 측정에 사용하기 위한 광 시스템.
광 빔의 편광을 측정하는데 사용하기 위한 방법으로서,
상기 방법은:
상기 광 빔을 각각의 쌍이 정상 및 이상 편광 성분을 포함하는, 각각의 쌍 사이에 사전결정된 편광 관계를 가진 3쌍의 빔 성분으로 분할하는 단계,
각각의 상기 6개의 빔 성분 내의 강도 분포를 측정하는 단계,
상기 6개의 빔 성분의 강도 분포를 분석하는 단계, 및
상기 광 빔의 단면을 따른 편광 프로파일을 판정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 빔의 편광을 측정하는데 사용하기 위한 방법.
제 18 항에 있어서, 상기 6개의 빔 성분의 강도 분포를 분석하는 단계는 상기 편광 프로파일을 나타내는 상기 입력 광 빔의 스토크스 파라미터를 판정하는 단계를 포함하고, 상기 입력 빔의 단면 내의 임의의 지점(x,y)에서의 스토크스 파라미터는 아래의 식의 세트에 따라 상기 출력 빔 성분으로부터 판정되고,

이때, S₀(x,y)는 입력 빔 강도 분포이고, S₁(x,y), S₂(x,y) 및 S₃(x,y)은 입력 빔의 단면 내의 각각의 지점에서의 편광 상태 분포를 나타내고; I₁ 및 I₂는 제1 편광 빔 분할기로부터 새로 생겨난 제1 빔 성분의 정상 및 이상 편광 성분의 강도 분포이고; I₃ 및 I₄는 제1 편광 빔 분할기로부터 새로 생겨난 제2 빔 성분의 정상 및 이상 편광 성분의 강도 분포이고; I₅ 및 I₆은 제1 편광 빔 분할기로부터 새로 생겨난 제3 빔 성분의 정상 및 이상 편광 성분의 강도 분포이고; 그리고 α, β, 및 γ는 정규화 상수인 것을 특징으로 하는 광 빔의 편광을 측정하는데 사용하기 위한 방법.