RU2039949C1

RU2039949C1 - Polarimeter

Info

Publication number: RU2039949C1
Authority: RU
Inventors: Борис Абрамович Зон; Анатолий Николаевич Ивакин; Михаил Леопольдович Ланцузский; Геннадий Владимирович Пахомов
Original assignee: Борис Абрамович Зон; Анатолий Николаевич Ивакин; Михаил Леопольдович Ланцузский; Геннадий Владимирович Пахомов
Priority date: 1992-03-09
Filing date: 1992-03-09
Publication date: 1995-07-20

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: optical part of polarimeter has two beam-splitting plates and dihedral corner reflector set behind them. Measuring part includes four photodetectors installed in pairs on opposite sides of beam-splitting plates and information processing unit with register. Dihedral corner reflector can be manufactured in the form of prism from optically transparent material. EFFECT: simplified design, expanded range of measurement of polarization characteristics. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к технике измерения оптического излучения и может быть использовано для контроля и диагностики различных физических объектов и процессов, в частности для изучения и диагностики химических процессов, плазмы, газового разряда, измерения тонких пленок, а также в оптических приборах для изучения астрофизических объектов. The invention relates to techniques for measuring optical radiation and can be used to monitor and diagnose various physical objects and processes, in particular for studying and diagnosing chemical processes, plasma, gas discharge, measuring thin films, and also in optical devices for studying astrophysical objects.

Известно устройство для измерения поляризационных характеристик оптического излучения, содержащее оптически связанные и установленные вдоль оптической оси поляризационный преобразователь в виде четвертьволновой пластины либо электрооптического элемента, анализатор в виде бипризмы, фотоприемники и систему обработки и регистрации параметров оптического пучка [1]
Недостаток указанного устройства заключается в низкой оперативности проведения измерений, в результате чего оно непригодно для контроля и диагностики быстропротекающих процессов. Последнее связано с тем, что для получения полного набора информации, необходимой для определения всех четырех параметров измеряемого пучка света, в данном случае необходим как минимум набор трех экспериментов, из результатов которых определяют характеристики измеряемого излучения, например параметры Стокса. Кроме того, устройство содержит ряд сложных и дорогих компонентов, в частности бипризм анализаторов, в значительной мере удорожающих измерительный прибор.A device for measuring the polarization characteristics of optical radiation, containing optically coupled and installed along the optical axis of the polarization converter in the form of a quarter-wave plate or an electro-optical element, an analyzer in the form of a biprism, photodetectors and a system for processing and recording parameters of the optical beam [1]
The disadvantage of this device is the low efficiency of measurements, as a result of which it is unsuitable for monitoring and diagnosing fast processes. The latter is due to the fact that in order to obtain a complete set of information necessary for determining all four parameters of a measured light beam, in this case, at least a set of three experiments is necessary, from the results of which the characteristics of the measured radiation, for example, Stokes parameters, are determined. In addition, the device contains a number of complex and expensive components, in particular biprism analyzers, which significantly increase the cost of the measuring device.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является поляриметр для измерения параметров Стокса, содержащий оптическую систему в виде группы светоделительных пластин с поляризационным преобразователем в виде четвертьволновой пластины, четыре фотоприемника и блок обработки информации с регистратором [2]
Известный поляриметр позволяет производить измерение быстропротекающих процессов. Последнее достигается благодаря тому, что информация об измеряемом оптическом излучении в нем принимается одновременно четырьмя фотоприемниками, как часть светового пучка снимается с четырех светоделительных пластин, ориентированных под различными углами по отношению к световому пучку. Впоследствии эта информация анализируется в блоке обработки информации, и результат выводится в виде полной системы параметров Стокса на регистратор.Closest to the invention in technical essence and the achieved result is a polarimeter for measuring Stokes parameters, containing an optical system in the form of a group of beam splitter plates with a polarization converter in the form of a quarter-wave plate, four photodetectors and an information processing unit with a recorder [2]
The well-known polarimeter allows you to measure fast processes. The latter is achieved due to the fact that the information on the measured optical radiation in it is received simultaneously by four photodetectors, as part of the light beam is removed from four beam splitter plates oriented at different angles with respect to the light beam. Subsequently, this information is analyzed in the information processing unit, and the result is displayed as a complete system of Stokes parameters on the recorder.

Однако при использовании этого прибора возникает существенное ограничение, связанное с требованием к монохроматичности измеряемого им излучения. Это требование обусловлено использованием в качестве фазосдвигающего элемента четвертьволновой пластины, допускающей работу лишь с излучением конкретной длины волны. При переходе на работу с излучением другой длины волны четвертьволновая пластина должна быть соответственно заменена. Вследствие этого использование известного поляриметра становится возможным лишь с излучением заранее известной длины волны. При этом в ряде случаев, в частности при изучении и контроле различных физико-химических процессов, например, в плазме, в газовых разрядах, при изучении астрофизических объектов и т.п. использование указанного поляриметра становится проблематичным. Кроме того, наличие в известном поляриметре большого числа оптически активных элементов, взаимодействующих со световым пучком, существенно усложняет конструкцию, увеличивает его стоимость, а также, несмотря на более высокие требования к обслуживанию измерительного прибора, снижает точность измерения характеристик оптического излучения. Последнее объясняется тем, что общая ошибка измерения складывается из частных, возникающих при установке положения каждого из оптических элементов прибора, число которых в данном случае велико. However, when using this device, there is a significant limitation associated with the requirement for monochromaticity of the radiation measured by it. This requirement is due to the use of a quarter-wave plate as a phase-shifting element, allowing operation only with radiation of a specific wavelength. When switching to work with radiation of a different wavelength, the quarter-wave plate should be replaced accordingly. As a consequence, the use of a known polarimeter becomes possible only with radiation of a predetermined wavelength. Moreover, in a number of cases, in particular in the study and control of various physicochemical processes, for example, in plasma, in gas discharges, in the study of astrophysical objects, etc. the use of the specified polarimeter becomes problematic. In addition, the presence in the known polarimeter of a large number of optically active elements interacting with the light beam significantly complicates the design, increases its cost, and, despite the higher requirements for the maintenance of the measuring device, reduces the accuracy of measuring the characteristics of optical radiation. The latter is explained by the fact that the total measurement error consists of the particular ones that arise when setting the position of each of the optical elements of the device, the number of which is large in this case.

Для устранения указанных недостатков в поляриметре, содержащем систему оптически связанных светоделительных пластин с поляризационным преобразователем, четыре фотоприемника, принимающих часть светового пучка со светоделительных пластин, блок обработки информации с фотоприемников и регистратор, оптическая система имеет расположенные по ходу луча две светоделительные пластины и установленный за ними двугранный уголковый отражатель, а фотоприемники установлены попарно с противоположных сторон от последних. Причем двугранный уголковый отражатель выполнен в виде призмы из прозрачного материала. To eliminate these shortcomings in a polarimeter containing a system of optically coupled beam splitter plates with a polarization converter, four photodetectors that receive part of the light beam from beam splitter plates, an information processing unit from photodetectors, and a recorder, the optical system has two beam splitter plates located along the beam and installed behind them a dihedral corner reflector, and photodetectors are installed in pairs from opposite sides of the latter. Moreover, the dihedral corner reflector is made in the form of a prism of transparent material.

На чертеже изображена схема предлагаемого поляриметра. The drawing shows a diagram of the proposed polarimeter.

Оптическая часть поляриметра состоит из установленных последовательно по ходу луча двух светоделительных пластин 1 и 2 и двугранного уголкового отражателя 3. Измерительная часть содержит две пары фотоприемников 4,5 и 6,7, блок 8 обработки информации и регистратор 9. The optical part of the polarimeter consists of two beam splitter plates 1 and 2 installed sequentially along the beam and a dihedral angle reflector 3. The measuring part contains two pairs of photodetectors 4,5 and 6,7, an information processing unit 8 and a recorder 9.

Поляриметр работает следующим образом. The polarimeter works as follows.

Исследуемый пучок света попадает на установленные произвольно, но не параллельно одна другой светоделительные пластины 1 и 2. При прохождении сквозь пластины пучок дробится на отраженную и проходящую части. Первая из них направляется в фотоприемники 4 и 6 для последующей фотометрии. Вторая часть пучка после прохождения через обе светоделительные пластины попадает на уголковый отражатель 3, который выполнен в виде пары расположенных под углом 90^о друг к другу отражающих свет плоскостей, свойство которого заключается в полном отражении падающего на него светового пучка в обратном направлении независимо от угла падения на него электромагнитных волн. Одновременно с отражением при этом происходит фазовый скачок, приводящий к повороту плоскости поляризации светового пучка на некоторый угол, зависящий от установки плоскости отражателя относительно падающего на него пучка. Преобразованный с измененными фазовыми соотношениями пучок света на обратном пути попадает на те же светоделительные пластины 2 и 1 (в обратном порядке). Повторно отраженные части светового пучка детектируются фотоприемниками 7 и 5, установленными возле светоделительных пластин, с противоположной стороны относительно первой пары фотоприемников 4 и 6. Полученный таким образом набор четырех независимых данных измерения с фотоприемников 4, 5, 6, 7 направляется в блок 8 обработки информации, результаты которой, например, в виде четырех параметров Стокса выводятся на регистратор 9. Таким образом, полный набор данных о поляризованных параметрах пучка света в данном приборе получен при взаимодействии его лишь с тремя оптическими элементами, а именно с двумя светоделительными пластинами и одним уголковым отражателем. Причем для сохранения постоянства фазового скачка по всему сечению светового пучка уголковый отражатель выполнен двугранным в виде пары расположенных под углом 90^о светоотражающих плоскостей. При этом основной эффект, заключающийся в ахроматических свойствах прибора, связан с тем, что величина сдвига фазы при отражении светового пучка от уголкового отражателя в пределах точности измерения не зависит от длины волны в пучке. Следовательно, поляриметр становится работоспособным в широком диапазоне длин волн, включая весь спектр оптических частот. При этом в качестве уголкового отражателя поляриметра в наилучшей степени удовлетворяет поворачивающая призма по причине прочности и неизменности ее свойств от внешних условий, а также ввиду незначительности возникающей при полном отражении пучка дисперсии, которая в общем случае не превышает статистической ошибки измерения. Последняя в данном приборе определяется точностью угловой установки всего лишь трех элементов оптической системы. Снимаются при этом и проблемы, связанные с уходом за отражающими плоскостями оптического элемента, характерными для металлических вертикальных поверхностей, и поддержанием стабильности отражающих свойств.The studied light beam enters the beam-splitting plates 1 and 2 set arbitrarily but not parallel to one another. As it passes through the plates, the beam is split into reflected and transmitted parts. The first of them is sent to photodetectors 4 and 6 for subsequent photometry. After passing through both beam-splitting plates, the second part of the beam enters the corner reflector 3, which is made in the form of a pair of light-reflecting planes located at an angle of 90 ° ^to one another, the property of which is to completely reflect the incident light beam in the opposite direction, regardless of the angle of incidence electromagnetic waves on it. Simultaneously with reflection, a phase jump occurs, leading to a rotation of the plane of polarization of the light beam by a certain angle, depending on the installation of the plane of the reflector relative to the incident beam. The light beam transformed with the changed phase relations on the return path enters the same beam splitting plates 2 and 1 (in the reverse order). The re-reflected parts of the light beam are detected by photodetectors 7 and 5, mounted near the beam splitter plates, on the opposite side with respect to the first pair of photodetectors 4 and 6. The resulting set of four independent measurement data from photodetectors 4, 5, 6, 7 is sent to information processing unit 8 , the results of which, for example, in the form of four Stokes parameters are output to the recorder 9. Thus, a complete set of data on the polarized parameters of the light beam in this device was obtained by interaction and it with only three optical elements, namely with two beam splitting plates and one corner reflector. Moreover, to maintain the constancy of the phase jump over the entire cross section of the light beam, the corner reflector is made dihedral in the form of a pair ^of reflective planes located at an angle of 90 °. In this case, the main effect, which consists in the achromatic properties of the device, is due to the fact that the phase shift during reflection of the light beam from the corner reflector within the measurement accuracy does not depend on the wavelength in the beam. Therefore, the polarimeter becomes operational in a wide range of wavelengths, including the entire spectrum of optical frequencies. In this case, the rotating prism is best suited as an angular reflector of the polarimeter because of the strength and invariability of its properties from external conditions, and also because of the insignificance of the dispersion that occurs when the beam is completely reflected, which in the general case does not exceed the statistical measurement error. The latter in this device is determined by the accuracy of the angular installation of only three elements of the optical system. At the same time, the problems associated with caring for the reflective planes of the optical element characteristic of vertical metal surfaces and maintaining the stability of the reflective properties are also removed.

Положение оптических элементов в поляриметре может быть произвольным за исключением двух условий: плоскости светоделительных пластин не должны быть параллельны друг другу и уголковый отражатель своей отражающей плоскостью должен быть развернут в сторону светоделительных пластин. Различия в показаниях фотоприемников, связанные с положением оптических элементов в приборе, при этом могут быть скорректированы соответствующим алгоритмом обработки данных, задаваемым блоку обработки информации. Для реализации максимальной чувствительности и точности измерений, а также для упрощения алгоритма расчета параметров Стокса светоделительные пластины предпочтительно устанавливать под углом Брюстера к оптической оси прибора, а уголковый отражатель располагать по нормали к вводимому оптическому пучку. Кроме того, взаимное расположение светоделительных пластин должно быть таким, чтобы плоскость, проведенная через оптическую ось прибора и нормаль к второй пластине, располагалась под углом 90^о к аналогичной плоскости относительно первой пластины.The position of the optical elements in the polarimeter can be arbitrary with the exception of two conditions: the planes of the beam splitter plates must not be parallel to each other and the corner reflector with its reflecting plane must be turned towards the beam splitter plates. Differences in the readings of the photodetectors associated with the position of the optical elements in the device can be adjusted by the corresponding data processing algorithm assigned to the information processing unit. To realize the maximum sensitivity and accuracy of measurements, as well as to simplify the algorithm for calculating the Stokes parameters, it is preferable to install the beam splitting plates at the Brewster angle to the optical axis of the device, and arrange the corner reflector along the normal to the input optical beam. Furthermore, the mutual arrangement of beam splitters should be such that a plane passing through the optical axis of the instrument and the normal to the second plate 90 located ^{on the} same plane relative to the first plate.

П р и м е р. Оптическая часть поляриметра содержит две кварцевые пластины (возможно также использование стекла К-8 c пониженной дисперсией) размером 30 х 40 мм, расположенные в различных плоскостях под углом 45^о друг к другу. Уголковый отражатель пара пластин из нержавеющей стали, обработанных по классу 14. Электронная часть содержит две пары фотоэлектрических преобразователей и электронный блок процессора, вычисляющий по специальной программе четыре параметра Стокса. При диаметре светового пучка до 3 мм при работе с излучением в диапазоне длин волн 0,44-1,15 мкм абсолютная погрешность определения параметров Стокса не более 5 ˙ 10^-3.PRI me R. The optical part of the polarimeter contains two quartz plates (it is also possible to use K-8 glass with reduced dispersion) 30 x 40 mm in size, located in different planes at an angle of 45 ° ^to each other. Corner reflector of a pair of stainless steel plates processed according to class 14. The electronic part contains two pairs of photovoltaic converters and an electronic processor unit that calculates four Stokes parameters using a special program. When the diameter of the light beam is up to 3 mm when working with radiation in the wavelength range of 0.44-1.15 microns, the absolute error in determining the Stokes parameters is not more than 5 ˙ 10 ^-3 .

Расчет показывает, что погрешность может быть снижена до (1-2) ˙ 10^-3 за счет уменьшения дисперсии в повороте плоскости поляризации в процессе двойного переотражения при замене металлического уголкового отражателя на уголковый отражатель в виде призмы.The calculation shows that the error can be reduced to (1-2) ˙ 10 ^-3 by reducing the dispersion in the rotation of the plane of polarization during double re-reflection when replacing a metal corner reflector with an angle reflector in the form of a prism.

Использование изобретения позволит создать всеволновый прибор для измерения поляризационных характеристик оптического излучения. Ахроматичность прибора с оперативностью его работы расширит круг задач, связанных с исследованием физических процессов, в частности изучением физико-химических процессов, диагностикой плазмы и газовых разрядов, эллипсометрией при измерении параметров пленок на поверхности твердого тела и контролем технологических процессов в полупроводниковом и подобных производствах. При этом одновременно достигается значительное упрощение конструкции поляриметра со снижением его стоимости, поскольку оптическая часть предлагаемого поляриметра содержит всего лишь три простейших элемента без особых требований к их характеристикам. Малое число взаимодействующих с измеряемым пучком оптических компонентов уменьшит суммарную ошибку измерения, связанную с неточностями в установке оптических элементов. Кроме того, благодаря малому количеству оптических элементов в поляриметре удается избежать дополнительных азимутальных ошибок, вносимых неизбежными несовершенствами оптических элементов. Отсутствие в приборе поляризатора и анализатора существенно увеличивает светосилу поляриметра, что позволяет проводить полноценные поляризационные измерения слабых световых пучков, например, в астрометрии, измерении люминесценции и т.п. Using the invention will make it possible to create an all-wave device for measuring the polarization characteristics of optical radiation. The achromaticity of the device with the speed of its work will expand the range of tasks related to the study of physical processes, in particular the study of physicochemical processes, diagnostics of plasma and gas discharges, ellipsometry when measuring the parameters of films on the surface of a solid body and the control of technological processes in semiconductor and similar industries. At the same time, a significant simplification of the design of the polarimeter with a decrease in its cost is achieved, since the optical part of the proposed polarimeter contains only three simplest elements without special requirements for their characteristics. A small number of optical components interacting with the measured beam will reduce the total measurement error associated with inaccuracies in the installation of optical elements. In addition, due to the small number of optical elements in the polarimeter, it is possible to avoid additional azimuthal errors introduced by the inevitable imperfections of the optical elements. The absence of a polarizer and an analyzer in the device significantly increases the luminosity of the polarimeter, which allows full-fledged polarization measurements of weak light beams, for example, in astrometry, luminescence measurements, etc.

Claims

1. A POLARIMETER containing an optical system including optically coupled beam splitter plates and a polarization converter, four photodetectors optically coupled to beam splitter, an information processing unit from photodetectors and a recorder, characterized in that the optical system contains two beam splitter , the polarization converter is made in the form of a dihedral corner reflector, and photodetectors are installed in pairs with positive sides of the beam splitter plates.

2. The polarimeter according to claim 1, characterized in that the dihedral corner reflector is made in the form of a prism of transparent material.