專利名稱：一種利用多縫衍射法測(cè)量偏振態(tài)的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用多縫衍射法測(cè)量偏振態(tài)的裝置及方法，屬于光電技術(shù)檢測(cè)技
術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
偏振光在科學(xué)技術(shù)及工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。比如利用偏振光的干涉可以用 來分析材料內(nèi)部的應(yīng)力分布情況。在化學(xué)分析中，旋光儀是利用偏振光測(cè)量溶液的濃度。偏 光干涉儀、偏光顯微鏡等在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)方面有著重要的應(yīng)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(shù)對(duì)大氣科學(xué)及天文學(xué)的發(fā)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(dǎo)體集成電路產(chǎn)業(yè)是事關(guān)國防建設(shè)、國民經(jīng)濟(jì)和信息安全的基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性產(chǎn) 業(yè)。目前，作為集成電路制造中最為核心和主流的光學(xué)投影光刻技術(shù)，隨著曝光波長不斷減 小、數(shù)值孔徑不斷增大，各種分辨率增強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用，圖形特征尺寸在不斷減小。目前，浸沒 式193光刻技術(shù)成為一項(xiàng)列在ITRS(國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖)上的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn) 45nm及其以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)。由于浸沒式曝光系統(tǒng)的數(shù)值孔徑大于l，因此需要考慮大角度矢 量干涉對(duì)光刻成像性能的影響。據(jù)此業(yè)內(nèi)提出采用偏振照明方式，來有效地提高成像對(duì)比 和分辨率等。因此，光刻研究中必須嚴(yán)密檢測(cè)從照明系統(tǒng)、掩模、投影物鏡、浸沒液體再到光 刻膠中成像的光波偏振態(tài)變化。因此對(duì)偏振光的檢測(cè)意義重大。 光波偏振態(tài)的測(cè)量，主要是基于斯托克斯參量法。其中主流方法為測(cè)量一束光分 別經(jīng)過幾組不同光軸及快軸方向組合的偏振片與1/4波片，測(cè)量透射光強(qiáng)即可計(jì)算出入射 光的斯托克斯矢量。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(diào) 整精確會(huì)引入系統(tǒng)誤差；另外由于使用了 1/4波片，在不更換1/4波片的情況下只能真對(duì) 特定波長進(jìn)行測(cè)量，這極大影響了偏振光檢測(cè)的效率與精度。另一種方法為利用振幅分割 原理，把入射光分成四份后分別經(jīng)過對(duì)應(yīng)的四個(gè)探測(cè)器，在已知每個(gè)探測(cè)器對(duì)入射光的響 應(yīng)系數(shù)和整個(gè)系統(tǒng)的儀器矩陣下，可以計(jì)算出入射光的斯托克斯矢量。此方法分光器件及 探測(cè)器位置擺放極為嚴(yán)格，并且在應(yīng)用前需要分別測(cè)量探測(cè)器的特性參數(shù)和整個(gè)系統(tǒng)的儀 器矩陣，因此其成本較高。另外，此方法只能測(cè)量一段波長(主要為可見波段及部分紅外波 段)范圍的偏振光。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)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(cè)量偏振態(tài)的裝置 及方法。 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。 本發(fā)明是一種利用多縫衍射法測(cè)量偏振態(tài)的裝置，包括偏振片、二元光柵、凸透鏡 和CCD探測(cè)器；其中二元光柵的縫寬度都相等，且不限制光柵狹縫個(gè)數(shù)；光柵距透鏡距離可 根據(jù)實(shí)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(cè)器。
本發(fā)明的一種利用多縫衍射法測(cè)量偏振態(tài)的方法，其具體步驟為 1)將偏振片覆蓋二元光柵的一部分，然后沿光路方向依次固定偏振片、二元光柵、
凸透鏡和CCD探測(cè)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(cè)器成像， 形成衍射條紋； 3)根據(jù)衍射理論，推導(dǎo)CCD探測(cè)器上任意點(diǎn)如P點(diǎn)光強(qiáng)表達(dá)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(jù)步驟3)中的式(1)進(jìn)行擬合，得到 平行入射光的偏振態(tài)。 上述的裝置和方法能夠測(cè)量任何波長入射光的偏振態(tài)； 上述的裝置和方法應(yīng)用到光學(xué)儀器上，可以測(cè)量光的偏振態(tài)，如將本發(fā)明的裝置
加入到光柵光譜儀上，可以測(cè)量光的偏振態(tài)。 有益效果 本發(fā)明易于實(shí)際應(yīng)用，裝置簡單，能夠高精度，對(duì)入射單色光無選擇性的偏振態(tài)測(cè) 量方法；本發(fā)明相對(duì)斯托克斯參量法只用到偏振片，且不需要旋轉(zhuǎn)此偏振片，因此在實(shí)驗(yàn)上 裝置簡單，且具有高的實(shí)驗(yàn)精度；整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中無波長選擇裝置，即任何單色光入射均可 測(cè)量其偏振態(tài)；此裝置不需校正即可使用。


圖l是本發(fā)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(fā)明中除I。外其余參數(shù)不變的情況下，干涉光強(qiáng)隨9的變化； 圖5是本發(fā)明中除Ex和Ey外其余參數(shù)不變的情況下，干涉光強(qiáng)隨9的變化； 其中，1_偏振片，3-二元光柵，4-凸透鏡，5-CCD探測(cè)器。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
實(shí)施例 —種利用多縫衍射法測(cè)量偏振態(tài)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(cè)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(gè)數(shù)；光柵 距透鏡距離可根據(jù)實(shí)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(cè)器5。 —種利用多縫衍射法測(cè)量偏振態(tài)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 ;然后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(cè)器 5 ;CCD探測(cè)器5位于凸透鏡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(cè)器5 成像，形成衍射條紋； 3)現(xiàn)假設(shè)平行入射光為部分偏振光，平行入射光垂直入射于擋光板，部分偏振光
可以等效成自然光和一個(gè)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(chǎng)矢量強(qiáng)度，Ey為y方向電場(chǎng)矢量強(qiáng)度，a為Ey相對(duì)Ex的位相差； 如圖1所示，那么在CCD上P點(diǎn)光強(qiáng)為經(jīng)二元光柵3后，衍射方向相同的光經(jīng)凸透鏡4聚焦 在P點(diǎn)的相干迭加； 根據(jù)衍射理論，可以把二元光柵3上的狹縫出射光的電場(chǎng)振動(dòng)方向沿x、 y和z方 向分解，同一坐標(biāo)軸方向光相干迭加，不同方向光只按光強(qiáng)標(biāo)量相加；則P點(diǎn)光強(qiáng)表達(dá)式 為
)s邪

<formula>formula see original document page 5</formula>
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(qiáng)度，總狹縫數(shù)為N， Cl和c2為常數(shù)且c2 = 2Cl ; 4)在步驟2)得到的衍射條紋中任取一段，根據(jù)步驟3)中的式(1)進(jìn)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(tài)； 圖4為改變參數(shù)I。，理論計(jì)算接收屏處干涉強(qiáng)度的變化情況；當(dāng)I。取值為0時(shí)對(duì) 應(yīng)圖5中實(shí)線，當(dāng)I。取值為0. 0001時(shí)對(duì)應(yīng)圖5中虛線，隨I。值的變化，衍射條紋整體垂直 移動(dòng)；從衍射條紋垂直移動(dòng)量就可以求得I。； 圖5為分別改變參數(shù)Ex和Ey，理論計(jì)算接收屏處衍射強(qiáng)度的變化情況；當(dāng)Ex = Ey =0. 1、EX = 0. 2，Ey = 0. 1、EX = 0. l，Ey = 0. 2時(shí)，隨著Ex和Ey的變化，光強(qiáng)衍射曲線的相 對(duì)形狀出現(xiàn)變化，此時(shí)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(cè)量任何波長入射光的偏振態(tài)； 上述的裝置和方法應(yīng)用到光學(xué)儀器上，可以測(cè)量光的偏振態(tài)，如將本發(fā)明的裝置 加入到光柵光譜儀上，可以測(cè)量光的偏振態(tài)。 上述實(shí)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(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，對(duì)個(gè)別部件進(jìn)行改進(jìn)和等同變換，不應(yīng)排除在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之外。
權(quán)利要求
一種利用多縫衍射法測(cè)量偏振態(tài)的裝置，其特征在于包括偏振片(1)、二元光柵(3)、凸透鏡(4)和CCD探測(cè)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(gè)數(shù)；光柵距透鏡距離可根據(jù)實(shí)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(cè)器(5)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用多縫衍射法測(cè)量偏振態(tài)的裝置，其特征在于該利 用多縫衍射法測(cè)量偏振態(tài)的裝置應(yīng)用到光學(xué)儀器上能夠測(cè)量任何波長入射光的偏振態(tài)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種利用多縫衍射法測(cè)量偏振態(tài)的裝置，其特征在于該利 用多縫衍射法測(cè)量偏振態(tài)的裝置加到光柵光譜儀上，可以測(cè)量光的偏振態(tài)。
4. 一種利用多縫衍射法測(cè)量偏振態(tài)的方法，其特征在于其具體步驟為1) 將偏振片(1)覆蓋二元光柵(3)的一部分，然后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(cè)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(cè)器(5) 成像，形成衍射條紋；3) 根據(jù)衍射理論，推導(dǎo)CCD探測(cè)器(5)上任意點(diǎn)如P點(diǎn)光強(qiáng)表達(dá)式如式(1):<formula>formula see original document page 2</formula>4)在步驟2)得到的衍射條紋中任取-入射光的偏振態(tài)。it根據(jù)步驟3)中的式(1)進(jìn)行擬合，得到平行
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用多縫衍射法測(cè)量偏振態(tài)的裝置及方法，屬于光電技術(shù)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。包括偏振片A、偏振片B、二元光柵、凸透鏡和CCD探測(cè)器；將偏振片A覆蓋二元光柵的一部分，然后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(cè)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(cè)器成像，形成衍射條紋。本發(fā)明易于實(shí)際應(yīng)用，裝置簡單，能夠高精度，對(duì)入射單色光無選擇性的偏振態(tài)測(cè)量方法；本發(fā)明相對(duì)斯托克斯參量法只用到偏振片，且不需要旋轉(zhuǎn)此偏振片，因此在實(shí)驗(yàn)上裝置簡單，且具有高的實(shí)驗(yàn)精度；整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中無波長選擇裝置，即任何單色光入射均可測(cè)量其偏振態(tài)；此裝置不需校正即可使用。
文檔編號(hào)G01J3/447GK101793556SQ201010144119
公開日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2010年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月8日
發(fā)明者劉曉琳, 李艷秋, 白云峰, 董娟 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)