一種利用多縫衍射法測量偏振態的裝置及方法
2023-05-05 20:33:56 1
專利名稱：一種利用多縫衍射法測量偏振態的裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種利用多縫衍射法測量偏振態的裝置及方法，屬於光電技術檢測技
術領域。
背景技術：
偏振光在科學技術及工業生產中有著廣泛的應用。比如利用偏振光的幹涉可以用 來分析材料內部的應力分布情況。在化學分析中，旋光儀是利用偏振光測量溶液的濃度。偏 光幹涉儀、偏光顯微鏡等在生物學、醫學方面有著重要的應用。偏光天文羅盤在航海和航空 方面有著極其重要的地位。偏振遙感技術對大氣科學及天文學的發展有重要的意義，另外 偏振光還可以用做3D成像等方面。 半導體集成電路產業是事關國防建設、國民經濟和信息安全的基礎性和戰略性產 業。目前，作為集成電路製造中最為核心和主流的光學投影光刻技術，隨著曝光波長不斷減 小、數值孔徑不斷增大，各種解析度增強技術的應用，圖形特徵尺寸在不斷減小。目前，浸沒 式193光刻技術成為一項列在ITRS(國際半導體技術藍圖)上的一項關鍵技術，可以實現 45nm及其以下技術節點。由於浸沒式曝光系統的數值孔徑大於l，因此需要考慮大角度矢 量幹涉對光刻成像性能的影響。據此業內提出採用偏振照明方式，來有效地提高成像對比 和解析度等。因此，光刻研究中必須嚴密檢測從照明系統、掩模、投影物鏡、浸沒液體再到光 刻膠中成像的光波偏振態變化。因此對偏振光的檢測意義重大。 光波偏振態的測量，主要是基於斯託克斯參量法。其中主流方法為測量一束光分 別經過幾組不同光軸及快軸方向組合的偏振片與1/4波片，測量透射光強即可計算出入射 光的斯託克斯矢量。此方法需要多次改變偏振片透光軸與1/4波片快軸的方向，光軸的調 整精確會引入系統誤差；另外由於使用了 1/4波片，在不更換1/4波片的情況下只能真對 特定波長進行測量，這極大影響了偏振光檢測的效率與精度。另一種方法為利用振幅分割 原理，把入射光分成四份後分別經過對應的四個探測器，在已知每個探測器對入射光的響 應係數和整個系統的儀器矩陣下，可以計算出入射光的斯託克斯矢量。此方法分光器件及 探測器位置擺放極為嚴格，並且在應用前需要分別測量探測器的特性參數和整個系統的儀 器矩陣，因此其成本較高。另外，此方法只能測量一段波長(主要為可見波段及部分紅外波 段)範圍的偏振光。
發明內容
本發明的目的是為了解決上述問題，提出一種利用多縫衍射法測量偏振態的裝置 及方法。 本發明的目的是通過以下技術方案實現的。 本發明是一種利用多縫衍射法測量偏振態的裝置，包括偏振片、二元光柵、凸透鏡 和CCD探測器；其中二元光柵的縫寬度都相等，且不限制光柵狹縫個數；光柵距透鏡距離可 根據實際情況而定；沿光路方向依次為偏振片、二元光柵、凸透鏡和CCD探測器。
本發明的一種利用多縫衍射法測量偏振態的方法，其具體步驟為 1)將偏振片覆蓋二元光柵的一部分，然後沿光路方向依次固定偏振片、二元光柵、
凸透鏡和CCD探測器； 2)平行入射光照射在二元光柵上，平行入射光透過二元光柵在CCD探測器成像， 形成衍射條紋； 3)根據衍射理論，推導CCD探測器上任意點如P點光強表達式如式(1):
-2 cos to sin 61 1 — cos W/
3/0a 、， 2 /! 2-￡)2
3( 41
/c2 sin2 0
—(c2￡A )2 +-， ci2E,; cos" + v^c^A cos(A(L,
cos"
(i)
'《cos (A (A —12)) + ;- ac2￡x2 cos
4)在步驟2)得到的衍射條紋中任取一段根據步驟3)中的式(1)進行擬合，得到 平行入射光的偏振態。 上述的裝置和方法能夠測量任何波長入射光的偏振態； 上述的裝置和方法應用到光學儀器上，可以測量光的偏振態，如將本發明的裝置
加入到光柵光譜儀上，可以測量光的偏振態。 有益效果 本發明易於實際應用，裝置簡單，能夠高精度，對入射單色光無選擇性的偏振態測 量方法；本發明相對斯託克斯參量法只用到偏振片，且不需要旋轉此偏振片，因此在實驗上 裝置簡單，且具有高的實驗精度；整個實驗裝置中無波長選擇裝置，即任何單色光入射均可 測量其偏振態；此裝置不需校正即可使用。
圖l是本發明的示意圖； 圖2是偏振片覆蓋多縫光柵示意圖； 圖3是偏振片光軸方向示意圖； 圖4是本發明中除I。外其餘參數不變的情況下，幹涉光強隨9的變化； 圖5是本發明中除Ex和Ey外其餘參數不變的情況下，幹涉光強隨9的變化； 其中，1_偏振片，3-二元光柵，4-凸透鏡，5-CCD探測器。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。
實施例 —種利用多縫衍射法測量偏振態的裝置，如圖1所示，包括偏振片1、二元光柵3、 凸透鏡4和CCD探測器5 ;其中二元光柵3的縫寬度都相等，且不限制光柵狹縫個數；光柵 距透鏡距離可根據實際情況而定；沿光路方向依次為偏振片1、二元光柵3、凸透鏡4和CCD 探測器5。 —種利用多縫衍射法測量偏振態的方法，其具體步驟為
1)將偏振片1覆蓋二元光柵3的一部分，如圖2、圖3所示，偏振片1的透光軸方 向與X軸成6(T ;然後沿光路方向依次固定偏振片1、二元光柵3、凸透鏡4和CCD探測器 5 ;CCD探測器5位於凸透鏡4的焦平面上； 2)平行入射光照射在二元光柵3上，平行入射光透過二元光柵3在CCD探測器5 成像，形成衍射條紋； 3)現假設平行入射光為部分偏振光，平行入射光垂直入射於擋光板，部分偏振光
可以等效成自然光和一個完全偏振光的迭加；完全偏振光可以表示為
Ex為x方向電場矢量強度，Ey為y方向電場矢量強度，a為Ey相對Ex的位相差； 如圖1所示，那麼在CCD上P點光強為經二元光柵3後，衍射方向相同的光經凸透鏡4聚焦 在P點的相干迭加； 根據衍射理論，可以把二元光柵3上的狹縫出射光的電場振動方向沿x、 y和z方 向分解，同一坐標軸方向光相干迭加，不同方向光只按光強標量相加；則P點光強表達式 為
)s邪
formula see original document page 5
其中9為r與z軸夾角，光柵縫寬為a，縫間距為d，光柵距透鏡距離為D，I。為入 射光中等效成自然光強度，總狹縫數為N， Cl和c2為常數且c2 = 2Cl ; 4)在步驟2)得到的衍射條紋中任取一段，根據步驟3)中的式(1)進行擬合得到 Cl， Ex， Ey， a ， I。值，由Ex， Ey， a ， I。可以確定平行入射光的偏振態； 圖4為改變參數I。，理論計算接收屏處幹涉強度的變化情況；當I。取值為0時對 應圖5中實線，當I。取值為0. 0001時對應圖5中虛線，隨I。值的變化，衍射條紋整體垂直 移動；從衍射條紋垂直移動量就可以求得I。； 圖5為分別改變參數Ex和Ey，理論計算接收屏處衍射強度的變化情況；當Ex = Ey =0. 1、EX = 0. 2，Ey = 0. 1、EX = 0. l，Ey = 0. 2時，隨著Ex和Ey的變化，光強衍射曲線的相 對形狀出現變化，此時以公式1擬合曲線得到Ex和Ey值；
上述的裝置和方法能夠測量任何波長入射光的偏振態； 上述的裝置和方法應用到光學儀器上，可以測量光的偏振態，如將本發明的裝置 加入到光柵光譜儀上，可以測量光的偏振態。 上述實施過程中，各部件的位置，偏振片光軸方向，狹縫間距都是可以有所變化 的，在本發明技術方案的基礎上，對個別部件進行改進和等同變換，不應排除在本發明的保 護範圍之外。
權利要求
一種利用多縫衍射法測量偏振態的裝置，其特徵在於包括偏振片(1)、二元光柵(3)、凸透鏡(4)和CCD探測器(5)；其中二元光柵(3)的縫寬度都相等，且不限制光柵狹縫個數；光柵距透鏡距離可根據實際情況而定；沿光路方向依次為偏振片(1)、二元光柵(3)、凸透鏡(4)和CCD探測器(5)。
2. 根據權利要求1所述的一種利用多縫衍射法測量偏振態的裝置，其特徵在於該利 用多縫衍射法測量偏振態的裝置應用到光學儀器上能夠測量任何波長入射光的偏振態。
3. 根據權利要求2所述的一種利用多縫衍射法測量偏振態的裝置，其特徵在於該利 用多縫衍射法測量偏振態的裝置加到光柵光譜儀上，可以測量光的偏振態。
4. 一種利用多縫衍射法測量偏振態的方法，其特徵在於其具體步驟為1) 將偏振片(1)覆蓋二元光柵(3)的一部分，然後沿光路方向依次固定偏振片(1)、二 元光柵(3)、凸透鏡(4)和CCD探測器(5);2) 平行入射光照射在二元光柵(3)上，平行入射光透過二元光柵(3)在CCD探測器(5) 成像，形成衍射條紋；3) 根據衍射理論，推導CCD探測器(5)上任意點如P點光強表達式如式(1):formula see original document page 24)在步驟2)得到的衍射條紋中任取-入射光的偏振態。it根據步驟3)中的式(1)進行擬合，得到平行
全文摘要
本發明涉及一種利用多縫衍射法測量偏振態的裝置及方法，屬於光電技術檢測技術領域。包括偏振片A、偏振片B、二元光柵、凸透鏡和CCD探測器；將偏振片A覆蓋二元光柵的一部分，然後沿光路方向依次固定偏振片A、二元光柵、凸透鏡、偏振片B和CCD探測器；平行入射光照射在二元光柵上，平行入射光透過二元光柵在CCD探測器成像，形成衍射條紋。本發明易於實際應用，裝置簡單，能夠高精度，對入射單色光無選擇性的偏振態測量方法；本發明相對斯託克斯參量法只用到偏振片，且不需要旋轉此偏振片，因此在實驗上裝置簡單，且具有高的實驗精度；整個實驗裝置中無波長選擇裝置，即任何單色光入射均可測量其偏振態；此裝置不需校正即可使用。
文檔編號G01J3/447GK101793556SQ201010144119
公開日2010年8月4日 申請日期2010年4月8日 優先權日2010年4月8日
發明者劉曉琳, 李豔秋, 白雲峰, 董娟 申請人:北京理工大學