專利名稱：一種高能量利用率的線偏振光產(chǎn)生裝置及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及偏振光學(xué)領(lǐng)域，尤其是一種基于線偏振光源的高能量利用率的線偏振光產(chǎn)生裝置及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
偏振是光波的基本特性之一，偏振光學(xué)系統(tǒng)是利用光波偏振特性及其與物質(zhì)偏振調(diào)制相互作用的一類光學(xué)系統(tǒng)〔參考文獻(xiàn)I :R.M.A· Azzam and N. M. Bashara, Ellipsometryand Polarized Light, lstedition, Ams t er dam : Nor th~Ho 11 and publishingcompany, 1977, 1-486〕。典型偏振光學(xué)系統(tǒng)包括透射式偏振系統(tǒng)、散射式偏振系統(tǒng)、反射式橢偏系統(tǒng)等。偏振光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛。比如，透射式偏振測量系統(tǒng)可以測量光波的偏振態(tài)、光學(xué)器件的二向色性、波片的位相延遲等。再比如，基于反射式偏振測量的橢偏儀·是對材料表面和界面進(jìn)行表征的一種重要方法，是納米薄膜樣品表征的重要手段，可同時獲得納米膜層的厚度和折射率等參數(shù)，并具有如下優(yōu)點非接觸、無破壞性、可達(dá)到原子層量級的分析靈敏度、幾乎可適用于任何的材料等〔參考文獻(xiàn)2 :Har land G. Tompkins andEugene A. Irene, Handbook of ellipsometry,New York:WiIIiam Andrew Inc. ,2005〕?？捎糜谌斯ど锬ぁ⑿滦蛡鞲衅?、半導(dǎo)體集成電路、光量子器件、生物芯片、高密度存儲等納米薄膜實用化材料和表面器件。典型的偏振光學(xué)系統(tǒng)(見圖I)一般依次包括偏振光產(chǎn)生裝置I、樣品2、偏振光檢測裝置3。其中，偏振光產(chǎn)生裝置I用于產(chǎn)生偏振態(tài)已知的橢圓偏振光(如線偏振光、圓偏振光、一般的橢圓偏振光等)，樣品2對入射光的偏振態(tài)通過透射、反射、折射、散射等方式進(jìn)行調(diào)制，偏振光檢測裝置3用于檢測經(jīng)樣品2調(diào)制作用后光波的偏振態(tài)。系統(tǒng)的檢測過程為偏振光產(chǎn)生裝置I產(chǎn)生偏振態(tài)已知的特定橢圓偏振光；經(jīng)樣品2調(diào)制后，偏振光的偏振態(tài)發(fā)生變化，這種變化與樣品2的性質(zhì)相關(guān)；利用偏振光檢測裝置3把調(diào)制后的光波偏振態(tài)檢測出來；建立樣品和偏振態(tài)變換的物理模型，采用數(shù)學(xué)方法解出樣品2的相關(guān)性質(zhì)(如，二向色性、折射率、消光系數(shù)等)。在上述系統(tǒng)中，典型的偏振光產(chǎn)生裝置I (如圖2所示)至少包含一個線偏振光產(chǎn)生裝置10，有些系統(tǒng)還包含相位延遲器11。在線偏振光產(chǎn)生裝置10中，包括了光源101和線偏振器102，經(jīng)線偏振器102出射的光是線性偏振光；如果偏振光產(chǎn)生裝置I中還包含了相位延遲器11，那么可以根據(jù)設(shè)置在相位延遲器11出射端產(chǎn)生特定的橢圓偏振光。由此可見，在偏振光產(chǎn)生裝置I中，由光源101和線偏振器102組成的線偏振光產(chǎn)生裝置10是共同的部分，也是基礎(chǔ)部分。在線偏振光產(chǎn)生裝置10中，光源101用于產(chǎn)生具有一定能量和光譜分布的光束。按出射光偏振態(tài)光源101可分為自然光源、部分偏振光源、完全偏振光源等三種形式。其中隨機偏振分布的自然光源幾乎不存在，常見的是具有一定偏振優(yōu)勢的部分偏振光源。隨著光源技術(shù)的發(fā)展、尤其是半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了包括激光在內(nèi)的具有高線性偏振度的偏振光源，特征是出射光是線性偏振光，其消光比一般大于100:1。此類光源包括偏振激光器、偏振激光二極管等，當(dāng)然也包括了由非偏振光源和偏振片復(fù)合而成的線偏振光源。這類線偏振光源目前應(yīng)用非常廣泛，比如在橢偏儀中，采用線偏振激光器的激光橢偏儀就是一類重要儀器形式。為了以下討論方便，做如下約定 線偏振光源101的光能量為Itl,線偏振光源101的方位角定義為其出射線偏振光的偏振面相對于參考零位的逆時針方向的夾角，記為L。 線偏振器102的方位角定義為其透光軸相對于參考零位的逆時針方向的夾角，記為P。 線偏振光源101與線偏振器102的夾角記為0=p-L。
當(dāng)偏振器件圍繞光軸旋轉(zhuǎn)時，方向的規(guī)定為迎著光傳播的方向觀察，當(dāng)逆時針轉(zhuǎn)動是方位角為正，順時針轉(zhuǎn)動為負(fù)。 波片的方位角定義為快軸與參考零位的夾角。當(dāng)把如上所述的線偏振光源101應(yīng)用于線偏振光產(chǎn)生裝置10時，考察一下能量利用問題。根據(jù)馬呂斯定理，經(jīng)線偏振器102后的光能量為I = IciC0s2Qo根據(jù)系統(tǒng)工作期間線偏振光源101和線偏振器102的夾角Θ是否改變，分以下情況討論(1)θ保持不變。由此可見，在系統(tǒng)工作過程中，由線偏振器102出射的光能量保持恒定，如果Θ古0，那么I古Itl，即線偏振光產(chǎn)生裝置10不能充分利用線偏振光源101的能量，為了充分利用線偏振光源101的能量，使用中要調(diào)節(jié)Θ =0 ；(2) Θ改變。常見的現(xiàn)象是線偏振器102要改變方位角，然而線偏振光源101由于機械結(jié)構(gòu)、器件重量等原因不便與前者同步所致。此時I = IoCOS2 Θ會隨著Θ的變化而變，這意味著在系統(tǒng)工作期間，由線偏振器102出射的光能量無法保持恒定，對于很多偏振系統(tǒng)，尤其是精密定量測量系統(tǒng)來說，這是要極力避免的。為了更進(jìn)一步說明上述的(2)中的情況，在此給出兩種典型的系統(tǒng)(a)在起偏器-樣品-補償器-檢偏器結(jié)構(gòu)或起偏器-補償器-樣品-檢偏器結(jié)構(gòu)的橢偏儀中，采用消光法進(jìn)行橢偏角￥和△測量時，需要反復(fù)調(diào)節(jié)起偏器和檢偏器的方位角，最終達(dá)到消光。在此系統(tǒng)中，線偏振光源101不能轉(zhuǎn)動，在測量過程中，隨著線起偏器102的方位角不斷地變換，Θ會發(fā)生變化，導(dǎo)致了進(jìn)入后續(xù)探測系統(tǒng)的光能量不能保持恒定，這對信號的消光判斷會造成一定的困難，甚至導(dǎo)致無法進(jìn)行測量；(b)在起偏器-樣品-檢偏器結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)起偏器的橢偏儀中，采用起偏器旋轉(zhuǎn)方法測量V和△測量時。線偏振光源101不能轉(zhuǎn)動，線起偏器102連續(xù)旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)到一個方位角，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。在此過程中，也會遇到如上相同的問題，導(dǎo)致無法進(jìn)行高準(zhǔn)確性的測量，因此此類橢偏儀應(yīng)用極少。由此可見，在線性偏振產(chǎn)生裝置10中，面臨的要解決的有兩大問題(I)如何最大程度地利用線偏振光源101的光能量；(2)隨著線偏振器102與線偏振光源101之間方位角的相對轉(zhuǎn)動，由線偏振器102出射的光的能量保持恒定。上述問題對于定量測量系統(tǒng)尤其是弱信號探測系統(tǒng)來說，尤為重要。為了解決上述問題提高能量利用率，目前采用了如下方法采用半波片，放置在線偏振光源101和線偏振器102之間，其快軸平分線偏振光源101偏振面和線偏振器102透光軸的夾角。如果在系統(tǒng)工作時，當(dāng)線偏振器旋轉(zhuǎn)時，此半波片需要安裝在一個與線性偏振器成1:2角度比例的中空旋轉(zhuǎn)器上，從而實現(xiàn)能量的充分利用。顯然，這種結(jié)構(gòu)增加了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制的復(fù)雜性，也影響了系統(tǒng)可靠性。

實用新型內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本實用新型的目的在于提供一種機構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，可以把線性偏振光源的光能量利用率提高到接近100%的高能量利用率的線偏振光產(chǎn)生裝置，本實用新型的另一目的是提供一種上述專利的應(yīng)用。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型一種高能量利用率的線偏振光產(chǎn)生裝置，包括—個線偏振光源(101)，用于產(chǎn)生線性偏振光波；一個線偏振器(102)，用于把任意光波變換成線性偏振光波； 在二者之間，還包括一個四分之一波片(103)，緊隨線偏振光源(101)設(shè)置，并與線偏振光源(101)機械固定，其方位角C1與線偏振光源(101)出射的偏振光偏振面方位角L的夾角設(shè)置為C1-L = P2 + +-V
I 2 4 J⑴—個四分之一波片(104),位于四分之一波片103和線偏振器102之間，并與線偏振器(102)機械固定，其快軸的方位角為C2與線偏振器(102)的方位角P的夾角設(shè)置為
D n ( k2 _ Ji1 I )P — C2= ~
V 2 4 乂(2)在以上式(I)和式(2)中，Ii1取值為-UOU中任意一個整數(shù)；k2取值為-2、-1、0、I中任意一個整數(shù)。進(jìn)一步，所述線偏振器(102)安裝在中空旋轉(zhuǎn)臺(105)內(nèi)，通過中空旋轉(zhuǎn)臺(105)的旋轉(zhuǎn)改變所述線偏振器(102)的方位角。進(jìn)一步，所述四分之一波片(103)和四分之一波片(104)為云母波片、石英波片、液晶波片、全反射式位相延遲器或其它可以在兩個互相垂直的方向上產(chǎn)生一定位相延遲差為90?！?0°的光學(xué)各向異性器件。進(jìn)一步，所述線偏振光源(101)的輸出線偏振光的長軸和短軸之比大于10，或其消光比大于100 ;所述線偏振光源(101)為偏振激光器或偏振激光二極管，或者是普通的光源與線性偏振器組合而成的線偏振光源。進(jìn)一步，所述線偏振器(102)為二向色性線性偏振器、Glan-Taylor,Glan-Thompson線性偏振器,或者其它可以將任意光波變換成線偏振光的偏振器件；所述中空旋轉(zhuǎn)臺(105 )為電動旋轉(zhuǎn)臺,采用旋轉(zhuǎn)電磁鐵、步進(jìn)電機、伺服電機或直流電機來驅(qū)動。一種利用上述線偏振光產(chǎn)生裝置制成的PCSA橢偏儀，包括偏振光產(chǎn)生裝置(I)和偏振光檢測裝置(3)，樣品(2)設(shè)置在兩者中間，其中，偏振光產(chǎn)生裝置(I)包括所述線偏振光產(chǎn)生裝置和相位延遲器(11)。進(jìn)一步，所述偏振光檢測裝置(3)包括線偏振器(31)和光電探測器(32)，線偏振器(31)和光電探測器(32 )共軸安裝，所述偏振光產(chǎn)生裝置(I)和偏振光檢測裝置(3 )的光軸相交于待測樣品(2)上的表面上，樣品(2)的表面法線平分二光軸的夾角。[0037]進(jìn)一步，所述光電探測器(32)為Si探測器、PbS探測器、電荷耦合器件、互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器或陣列式光電轉(zhuǎn)換圖像傳感器。一種利用上述線偏振光產(chǎn)生裝置制成的PSCA橢偏儀，包括偏振光產(chǎn)生裝置(I)和偏振光檢測裝置(3)，樣品(2)設(shè)置在兩者中間，其中，偏振光產(chǎn)生裝置(I)由所述線偏振光產(chǎn)生裝置構(gòu)成，偏振光檢測裝置(3)包括依次共軸安裝的相位延遲器(11)、線偏振器(31)和光電探測器(32)，所述偏振光產(chǎn)生裝置(I)和偏振光檢測裝置(3)的光軸相交于待測樣品(2)上的表面上，樣品(2)的表面法線平分二光軸的夾角。一種利用上述線偏振光產(chǎn)生裝置制成的PSA橢偏儀，包括偏振光產(chǎn)生裝置(I)和偏振光檢測裝置(3)，樣品(2)設(shè)置在兩者中間，其中，偏振光產(chǎn)生裝置(I)由所述線偏振光產(chǎn)生裝置構(gòu)成，偏振光檢測裝置(3)包括依次共軸安裝的線偏振器(31)和光電探測器
(32)，所述偏振光產(chǎn)生裝置(I)和偏振光檢測裝置(3)的光軸相交于待測樣品(2)上的表面上，樣品(2)的表面法線平分二光軸的夾角。
·[0040]本實用新型的線偏振產(chǎn)生裝置10的優(yōu)點在于把線偏振光源101的能量利用率達(dá)到接近100% ;線性偏振器102與線偏振光源101的方位角夾角發(fā)生相對變化時，線偏振器出射的光能量始終保持恒定。另外，本方法結(jié)構(gòu)非常簡單、易于實現(xiàn)。

圖I為典型的偏振光學(xué)系統(tǒng)不意圖；圖2為典型的偏振光產(chǎn)生裝置示意圖；圖3為采用本實用新型的線偏振光產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為采用本實用新型的線偏振光產(chǎn)生裝置的PCSA(起偏器-補償器-樣品-檢偏器)橢偏儀；圖5為采用本實用新型的線偏振光產(chǎn)生裝置的PSCA(起偏器-樣品-補償器-檢偏器)橢偏儀；圖6為采用本實用新型的偏振光產(chǎn)生裝置的PSA (起偏器-樣品-檢偏器)結(jié)構(gòu)的橢偏儀。其中，I為偏振光產(chǎn)生裝置、2為樣品、3為偏振光檢測裝置、31為相位延遲器、31為線偏振器、32為光電探測器、10為線偏振光產(chǎn)生裝置、101為偏振光源、102為線偏振器、103為四分之一波片、104為四分之一波片、105為中空旋轉(zhuǎn)臺、11為相位延遲器。
具體實施方式
下面，參考附圖，對本實用新型進(jìn)行更全面的說明，附圖中示出了本實用新型的示例性實施例。然而，本實用新型可以體現(xiàn)為多種不同形式，并不應(yīng)理解為局限于這里敘述的示例性實施例。而是，提供這些實施例，從而使本實用新型全面和完整，并將本實用新型的范圍完全地傳達(dá)給本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員。為了易于說明，在這里可以使用諸如“上”、“下” “左” “右”等空間相對術(shù)語，用于說明圖中示出的一個元件或特征相對于另一個元件或特征的關(guān)系。應(yīng)該理解的是，除了圖中示出的方位之外，空間術(shù)語意在于包括裝置在使用或操作中的不同方位。例如，如果圖中的裝置被倒置，被敘述為位于其他元件或特征“下”的元件將定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性術(shù)語“下”可以包含上和下方位兩者。裝置可以以其他方式定位(旋轉(zhuǎn)90度或位于其他方位)，這里所用的空間相對說明可相應(yīng)地解釋。本實用新型一種基于線偏振光源的高能量利用率的線偏振光產(chǎn)生裝置，解決了偏振光學(xué)系統(tǒng)中線偏振光產(chǎn)生裝置10對線偏振光源101的能量利用率問題，并且解決在線偏振器102旋轉(zhuǎn)過程中始終保持出射能量不變。具體地說，即在線偏振光產(chǎn)生裝置10中，包含了一線偏振光源101和線偏振器102，由于結(jié)構(gòu)重量等原因，使得在系統(tǒng)工作過程中，線偏振光源101和線偏振器102的方位角夾角發(fā)生改變，在這種情況下，依然要求線偏振器102出射的偏振光的能量能接近線偏振光源101的能量，并且在二者夾角發(fā)生變化時，能量保持不變。本實用新型采用的方法是在線偏振光源101和線偏振器102之間增加兩個四分之一波片103和104，四分之一波片103緊隨線偏振光源101，并保持二者方位角夾角固定； 四分之一波片104位于線性偏振器102前，并保持二者方位角夾角固定。采用一定的設(shè)置，可以把線性偏振光源的光能量利用率提高到接近100%。為了以下敘述方便，定義 四分之一波片103的方位角記為C1 ； 四分之一波片103的方位角記為C2 ；本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的線偏振光產(chǎn)生裝置10的基本組成為(I) 一線偏振光源101,具有線性偏振光輸出；(2) 一線起偏器102,用于把入射的任何光波變換為線性偏振光波,線偏振器102安裝在中空旋轉(zhuǎn)臺105上，通過中空旋轉(zhuǎn)臺105可以改變線偏振器102的方位角；(3) —四分子一波片103，緊跟線偏振光源11，并與線偏振光源101機械固定，二者方位角的夾角為式(I)
權(quán)利要求1.一種高能量利用率的線偏振光產(chǎn)生裝置，其特征在于，該線偏振光產(chǎn)生裝置包括 一個線偏振光源(101)，用于產(chǎn)生線性偏振光波； 一個線偏振器(102),用于把任意光波變換成線性偏振光波； 在二者之間，還包括 一個四分之一波片(103)，緊隨線偏振光源(101)設(shè)置，并與線偏振光源(101)機械固定，其方位角C1與線偏振光源(101)出射的偏振光偏振面方位角L的夾角設(shè)置為
2.如權(quán)利要求I所述的線偏振光產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述線偏振器(102)安裝在中空旋轉(zhuǎn)臺(105)內(nèi)，通過中空旋轉(zhuǎn)臺(105)的旋轉(zhuǎn)改變所述線偏振器(102)的方位角。
3.如權(quán)利要求I所述的線偏振光產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述四分之一波片(103)和四分之一波片(104)為云母波片、石英波片、液晶波片、全反射式位相延遲器或其它可以在兩個互相垂直的方向上產(chǎn)生一定位相延遲差為90° ±10°的光學(xué)各向異性器件。
4.如權(quán)利要求I所述的線偏振光產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述線偏振光源(101)的輸出線偏振光的長軸和短軸之比大于10，或其消光比大于100 ;所述線偏振光源(101)為偏振激光器或偏振激光二極管，或者是普通的光源與線性偏振器組合而成的線偏振光源。
5.如權(quán)利要求I所述的線偏振光產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述線偏振器(102)為二向色性線性偏振器、Glan-Taylor線性偏振器、Glan-Thompson線性偏振器、Rochon線性偏振器，或者其它可以將任意光波變換成線偏振光的偏振器件；所述中空旋轉(zhuǎn)臺(105)為電動旋轉(zhuǎn)臺，采用旋轉(zhuǎn)電磁鐵、步進(jìn)電機、伺服電機或直流電機來驅(qū)動。
6.一種利用如權(quán)利要求I所述線偏振光產(chǎn)生裝置制成的PCSA橢偏儀，其特征在于，該PCSA橢偏儀包括偏振光產(chǎn)生裝置(I)和偏振光檢測裝置(3 )，樣品(2 )設(shè)置在兩者中間，其中，偏振光產(chǎn)生裝置(I)包括所述線偏振光產(chǎn)生裝置和相位延遲器(11)。
7.如權(quán)利要求6所述的PCSA橢偏儀，其特征在于，所述偏振光檢測裝置(3)包括線偏振器(31)和光電探測器(32)，線偏振器(31)和光電探測器(32)共軸安裝，所述偏振光產(chǎn)生裝置(I)和偏振光檢測裝置(3)的光軸相交于待測樣品(2)上的表面上，樣品(2)的表面法線平分二光軸的夾角。
8.如權(quán)利要求7所述的PCSA橢偏儀，其特征在于，所述光電探測器(32)為Si探測器、PbS探測器、電荷耦合器件、互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器或陣列式光電轉(zhuǎn)換圖像傳感器。
9.一種利用如權(quán)利要求I所述線偏振光產(chǎn)生裝置制成的PSCA橢偏儀，其特征在于，該PSCA橢偏儀包括偏振光產(chǎn)生裝置(I)和偏振光檢測裝置(3)，樣品(2)設(shè)置在兩者中間，其中，偏振光產(chǎn)生裝置(I)由所述線偏振光產(chǎn)生裝置構(gòu)成，偏振光檢測裝置(3)包括依次共軸安裝的相位延遲器(11)、線偏振器(31)和光電探測器(32)，所述偏振光產(chǎn)生裝置(I)和偏振光檢測裝置(3)的光軸相交于待測樣品(2)上的表面上,樣品(2)的表面法線平分二光軸的夾角。
10.一種利用如權(quán)利要求I所述線偏振光產(chǎn)生裝置制成的PSA橢偏儀，其特征在于，該PSA橢偏儀包括偏振光產(chǎn)生裝置(I)和偏振光檢測裝置(3)，樣品(2)設(shè)置在兩者中間，其中，偏振光產(chǎn)生裝置(I)由所述線偏振光產(chǎn)生裝置構(gòu)成，偏振光檢測裝置(3)包括依次共軸安裝的線偏振器(31)和光電探測器(32)，所述偏振光產(chǎn)生裝置(I)和偏振光檢測裝置(3)的光軸相交于待測樣品(2)上的表面上，樣品(2)的表面法線平分二光軸的夾角。
專利摘要本實用新型公開了一種基于線偏振光源的高能量利用率的線偏振光產(chǎn)生裝置及其應(yīng)用，包括一個線偏振光源101，四分之一波片103、四分之一波片104、安裝在中空旋轉(zhuǎn)器105中的線偏振器102。其中，四分之一波片103與線偏振光源101機械固定,其方位角C1與線偏振光源11的偏振面方位角L夾角為C1-L=[0.5*(k2+k1)+0.25]*π；四分之一波片104的方位角C2與線偏振器102的方位角P的夾角為P-C2=[0.5*(k2-k1)+0.25]*π，二者同步旋轉(zhuǎn),其中k1取值為-1,0,1中任意一個整數(shù)；k2取值為-2，-1,0,1中任意一個整數(shù)。本方法的優(yōu)點是，無論線性起偏器102方位角如何設(shè)置，始終可以保持光源能量利用率接近100％。
文檔編號G02B27/28GK202710848SQ20122041778
公開日2013年1月30日 申請日期2012年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月21日
發(fā)明者孟永宏 申請人:北京量拓科技有限公司