一种利用双缝干涉法测量偏振态的装置及方法

摘要

本发明涉及一种利用双缝干涉法测量偏振态的装置及方法，属于光电检测技术。包括偏振片、挡光板和CCD探测器；其中挡光板上有两条狭缝，除了挡光板上的两条狭缝外，挡光板上的其余部分完全不透光；沿光路方向依次为偏振片、挡光板和CCD探测器。将偏振片覆盖在挡光板的一条狭缝上，然后沿光路方向依次固定挡光板和CCD探测器；平行入射光照射在挡光板上，平行入射光透过挡光板上的两条狭缝在CCD探测器成像，形成干涉条纹。本发明只用到一块偏振片，且不需要旋转此偏振片，装置简单，具有高的实验精度；整个实验装置中无波长选择装置，即可测量任何波长入射光的偏振态。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用双缝干涉法测量偏振态的装置及方法，属于光电检测技术。

背景技术

偏振光在科学技术及工业生产中有着广泛的应用。比如在机械工业中，利用偏振光的干涉来分析机件内部应力分布情况，这就是光测弹性力学的课题。在化工厂里，我们可以利用偏振光测量溶液的浓度。偏光干涉仪、偏光显微镜在生物学、医学、地质学等方面有着重要的应用。在航海、航空方面则制出了偏光天文罗盘。偏振遥感技术对大气科学的发展有重要的意义，偏振光还可以用做3D成像等方面。

在光刻机中偏振照明尤为重要。目前随着多种分辨率增强技术的出现，例如浸液式投影物镜，相移掩模，离轴照明，光学临近效应校正等，投影曝光光刻系统能够获得45nm节点以致更低的分辨率。但是浸液式投影物镜的应用使数值孔径值大于1，此时必须考虑入射光的矢量特性。入射光的偏振态会明显影响硅片上图形的对比度。例如对于线条图形来说，入射光的偏振方向垂直于线条图形的方向，对比度会降低，而如果偏振方向平行于线条方向，对比度增强。

偏振光在科学研究及工业生产中有这样重要的意义，那么对入射偏振光偏振态的检测变得尤为重要。

目前使用最多的为斯托克斯参量测量方法。它的测量原理是，在待测光路中，调节的偏振片与1/4波片光轴方向，测得透射光强，通过对输出信号的计算求得待测光的Stokes参量。测量时可以通过旋转光路中偏振片光轴和1/4波片快轴方向，得到至少6组光强值；也可以先把入射光分光后，每束光经过固定好的不同光轴和快轴方向的偏振片与1/4波片组合后测得光强。此方法测量中需要多次改变偏振片光轴与1/4波片快轴的方向，这增加了实验误差。另外由于使用了1/4波片，一个特定装置只能针对某一特定波长的光进行测量，测量其它波长光时需要更换其波长对应的1/4波片，还需要重新确定1/4波片的快轴方向，这在很大程度上限制了偏振光测量的速度与精度。

发明内容

本发明的目的是为了解决以上问题，提出一种利用双缝干涉法测量偏振态的装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种利用双缝干涉法测量偏振态的装置，包括偏振片、挡光板和CCD探测器；其中挡光板上有两条狭缝，除了挡光板上的两条狭缝外，挡光板上的其余部分完全不透光；沿光路方向依次为偏振片、挡光板和CCD探测器。

本发明的一种利用双缝干涉法测量偏振态的方法，其具体步骤为：

1)将偏振片覆盖在挡光板的一条狭缝上，然后沿光路方向依次固定挡光板和CCD探测器；

2)平行入射光照射在挡光板上，平行入射光透过挡光板上的两条狭缝在CCD探测器成像，形成干涉条纹；

3)根据相干理论，推导CCD探测器上任意点如P点光强表达式如式(1)：

$I\left(P\right)=\frac{I_0}{{2r}_1^2}+\frac{I_0}{r_2^2}+(E_x^2+E_y^2)(\frac{1}{{2r}_1^2}+\frac{1}{r_2^2})+\frac{E_x{E}_y}{r_1^2}\cos \alpha$

$+\frac{E_x^2(\cos \beta \cos \theta +\sin \beta \sin \theta )+E_y^2}{r_1{r}_2}\cos \left[\frac{2\pi }{\lambda }(r_1-r_2)\right]$

$+\frac{E_x{E}_y(\cos \beta \cos \theta +\sin \beta \sin \theta +1)}{r_1{r}_2}\cos [\alpha +\frac{2\pi }{\lambda }(r_1-r_2)]---\left(1\right)$

4)在步骤2)得到的干涉条纹中任取一段根据步骤3)中的式(1)进行拟合，得到平行入射光的偏振态。

上述的装置和方法能够测量任何波长入射光的偏振态，测量精度取决于CCD的像素分辨率及其光强分辨率。

有益效果

本发明只用到一块偏振片，且不需要旋转此偏振片，装置简单，具有高的实验精度；整个实验装置中无波长选择装置，即可测量任何波长入射光的偏振态。

附图说明

图1是本发明的示意图；

图2是偏振片光轴方向示意图；

图3是本发明中除α外其余参数不变的情况下，干涉光强随x的变化；

图4是本发明中除I₀外其余参数不变的情况下，干涉光强随x的变化；

其中，1-偏振片，2-挡光板，3-CCD探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

一种利用双缝干涉法测量偏振态的装置，如图1所示，包括偏振片1、挡光板2和CCD探测器3；其中挡光板2上有两条狭缝即上狭缝和下狭缝，除了挡光板2上的两条狭缝外，挡光板2上的其余部分完全不透光。

一种利用双缝干涉法测量偏振态的方法，其具体步骤为：

1)将偏振片1覆盖在挡光板2的上狭缝上，如图2所示，偏振片光轴方向与x轴成45°，如图1所示，偏振片在xy平面内，然后沿光路方向依次固定挡光板2和CCD探测器3；

2)平行入射光照射在挡光板2上，平行入射光透过挡光板2上的两条狭缝在CCD探测器3成像，形成干涉条纹；

3)由于挡光板2上的狭缝宽度很小，出射光可以认为是点源发出的球面波；现假设平行入射光为部分偏振光，平行入射光垂直入射于挡光板，部分偏振光可以等效成自然光和一个完全偏振光的迭加；完全偏振光可以表示为

E_x为x方向电场矢量强度，E_y为y方向电场矢量强度，α为E_y相对E_x的位相差；如图1所示，那么在CCD上P点光强为挡光板2上的狭缝出射的球面波在P点的相干迭加；

根据相干理论，可以把挡光板2上的狭缝出射光的电场振动方向沿x、y和z方向分解，同一坐标轴方向光相干迭加，不同方向光只按光强标量相加；则P点光强表达式为

$I\left(P\right)=\frac{I_0}{{2r}_1^2}+\frac{I_0}{r_2^2}+(E_x^2+E_y^2)(\frac{1}{{2r}_1^2}+\frac{1}{r_2^2})+\frac{E_x{E}_y}{r_1^2}\cos \alpha$

$+\frac{E_x^2(\cos \beta \cos \theta +\sin \beta \sin \theta )+E_y^2}{r_1{r}_2}\cos \left[\frac{2\pi }{\lambda }(r_1-r_2)\right]$

$+\frac{E_x{E}_y(\cos \beta \cos \theta +\sin \beta \sin \theta +1)}{r_1{r}_2}\cos [\alpha +\frac{2\pi }{\lambda }(r_1-r_2)]---\left(1\right)$

其中r₁为挡光板2上的上狭缝到P点的距离，r₂为挡光板2上的下狭缝到P点距离，β为r₁与z轴夹角，θ为r₂与z轴夹角，两狭缝间距为d，挡光板与CCD距离为D，I0为入射光中等效自然光强度；

4)在步骤2)得到的干涉条纹中任取一段根据步骤3)中的式(1)进行拟合，即可解出E_x，E_y，α，I₀，由此可以确定入射光的偏振态。

如图3为改变参数α，理论计算接收屏上的光强分布；其它参数保持不变，仅改变α值，α分别取值为20°、50°和80°；可见随α值的变化，干涉条纹出现水平移动，α值越大，曲线平移量越大。

如图4为改变参数I₀，理论计算接收屏上的光强分布；其它参数保持不变，仅改变I₀值，I₀分别取值为0(对应图4中实线)和0.1(对应图4中虚线)；可见随I₀值的变化，干涉条纹整体垂直移动；从干涉条纹最低点的变化就可以求得I₀值。

上述实施过程中，各部件的位置，偏振片快轴方向，狭缝间距都可以变化，在本发明技术方案的基础上，对个别部件进行改进和等同变换，不应排除在本发明的保护范围之外。