Патент на изобретение №2308066

(54) ФАЗОСДВИГАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

(57) Реферат:

Изобретение относится к оптике. В фазосдвигающем устройстве, содержащем оптически связанные две фазосдвигающие пластины, установленные с зазором на вычитание вносимых ими сдвигов фаз, указанные фазосдвигающие пластины установлены так, что их оптические оси повернуты относительно друг друга до достижения требуемой точности значения сдвига фаз, а влияние величины поворота плоскости поляризации устранено элементом, компенсирующим поворот плоскости поляризации, имеющим последовательную оптическую связь с указанными фазосдвигающими пластинами. Элемент, компенсирующий поворот плоскости поляризации, размещен до первой или после второй фазосдвигающей пластины и выполнен в виде оптически активной пластины. Технический результат – повышение точности требуемого значения сдвига фаз фазосдвигающего устройства. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к поляризационной оптической технике и может быть использовано при изготовлении различных устройств для оптико-физических измерений, применяемых, в частности, для неразрушающего контроля оптических параметров поверхности и слоев тонких пленок (например, эллипсометрии).

Переход к созданию все более малых объектов является устойчивой тенденцией в развитии области техники, такой как микро- и наноэлектроника. Уменьшение размеров приводит к разработке технологий, способных воспроизводимо создавать элементы приборов с размерами менее 10 нм. В связи с этим актуальность приобретает создание технических решений, позволяющих осуществлять прецизионные оптико-физические измерения. Для удовлетворения требований современных оптических прецизионных измерений необходимо изготовление фазосдвигающих устройств, обеспечивающих максимально точное значение фазового сдвига .

Известно фазосдвигающее устройство (Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практика спектроскопии. М., «Наука», 1972, стр.244-245), содержащее две фазосдвигающие пластины, причем каждая из пластин составлена из слоев двух веществ, дающих температурное смещение в противоположные стороны, являясь, таким образом, двулучепреломляющим кристаллом определенной строго заданной толщины.

К недостаткам известного технического решения относится низкая точность требуемого значения сдвига фаз, обеспечиваемого фазосдвигающим устройством. Указанный недостаток обусловлен, главным образом, конструктивными особенностями выполнения фазосдвигающего устройства. В данном фазосдвигающем устройстве отсутствует элемент, обеспечивающий требуемую точность значения сдвига фаз.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является фазосдвигающее устройство (а.с. СССР №1675817, МПК: G02В 5/30), содержащее две фазосдвигающие пластины, установленные с зазором на вычитание вносимых ими сдвигов фаз, причем сдвиг фаз каждой из пластин выбран из условия достижения функцией sin²(/2) максимально возможного значения для заданной величины суммарного фазового сдвига устройства, а рабочие поверхности пластин просветлены.

К недостаткам известного технического решения относится низкая точность требуемого значения сдвига фаз, обеспечиваемого фазосдвигающим устройством. Указанный недостаток обусловлен конструктивными особенностями выполнения фазосдвигающего устройства. В данном фазосдвигающем устройстве отсутствует элемент, обеспечивающий требуемую точность сдвига фаз, компенсирующий погрешность сдвига фаз до заданного значения.

Техническим результатом изобретения является повышение точности требуемого значения сдвига фаз фазосдвигающего устройства.

Технический результат достигается тем, что в фазосдвигающем устройстве, содержащем оптически связанные две фазосдвигающие пластины, установленные с зазором на вычитание вносимых ими сдвигов фаз, указанные фазосдвигающие пластины установлены так, что их оптические оси повернуты относительно друг друга до достижения требуемой точности значения сдвига фаз, а влияние величины поворота плоскости поляризации устранено элементом, компенсирующим поворот плоскости поляризации, имеющим последовательную оптическую связь с указанными фазосдвигающими пластинами.

В фазосдвигающем устройстве элемент, компенсирующий поворот плоскости поляризации, размещен до первой или после второй фазосдвигающей пластины.

В фазосдвигающем устройстве элемент, компенсирующий поворот плоскости поляризации, выполнен в виде оптически активной пластины.

В фазосдвигающем устройстве оптически активная пластина изготовлена из кристаллического кварца.

В фазосдвигающем устройстве оптически активная пластина вырезана перпендикулярно оптической оси.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами. На Фиг.1 показана зависимость величины фазового сдвига фазосдвигающей пластины от ее толщины. На Фиг.2 показан укрупненный участок зависимости величины фазового сдвига фазосдвигающей пластины от ее толщины в окрестностях значения фазового сдвига =/2, где 1 – сдвиг фазы, вносимый фазосдвигающей пластиной до просветления, 2 – сдвиг фазы, вносимый фазосдвигающей пластиной после просветления. На Фиг.3 схематически изображено фазосдвигающее устройство, где 3 – первая фазосдвигающая пластина, 4 – вторая фазосдвигающая пластина, 5 – оптически активная пластина. На Фиг.4 показаны ориентации «быстрой» и «медленной» осей первой (б₁ и м₁, соответственно) и второй (б₂ и м₂ соответственно) фазосдвигающей пластины.

Для обеспечения требуемой точности значения фазового сдвига необходимо наиболее точно знать значения фазовых сдвигов, вносимых фазосдвигающими пластинами, содержащимися в составе фазосдвигающего устройства. Так, для изготовления, например, содержащего две фазосдвигающие пластины фазосдвигающего устройства, обеспечивающего точное значение фазового сдвига = (или 2), требуется, чтобы обе фазосдвигающие пластины имели точные значения вносимых ими фазовых сдвигов /2 (или ); для фазосдвигающего устройства из двух фазосдвигающих пластин, обеспечивающего точное значение фазового сдвига, равное =/2, требуется, чтобы одна фазосдвигающая пластина была изготовлена таким образом, чтобы вносимый ею фазовый сдвиг составлял точно /2, а вторая фазосдвигающая пластина при этом должна быть изготовлена так, чтобы вносимый ею фазовый сдвиг был точно равен –.

Однако если взять любую фазосдвигающую пластину, то практически всегда имеет место отклонение значения сдвига фаз фазосдвигающей пластины от истинного значения. Данное обстоятельство связано с химико-физическими свойствами кристаллов, на основе которых изготовлены фазосдвигающие пластины, в частности, с тем, что показатель преломления любого материала может изменяться в результате незначительного наличия различных примесей. Материал, используемый для изготовления фазосдвигающей пластины, в общем случае, по своим химико-физическим свойствам не отвечает требованию однородности. Поскольку толщина фазосдвигающей пластины определяется по результатам эллипсометрических измерений параметров, которые подвержены влиянию неоднородностей кристалла, то ее значение может быть получено с большей или меньшей погрешностью по сравнению с истинным, постольку в процессе изготовления при любом тщательном контроле толщины фазосдвигающей пластины разброс значений сдвига фаз неизбежен для любого двулучепреломляющего кристалла.

С другой стороны, контроль путем измерения сдвига фаз непосредственно в процессе изготовления фазосдвигающей пластины не всегда приводит к действенным результатам. Зависимости сдвига фаз от толщины фазосдвигающей пластины (см. Фиг.1) при изготовлении фазосдвигающих пластин из одного и того же материала, одной и той же толщины не являются совпадающими. Причем наибольший разброс значения фазового сдвига наблюдается в окрестности значений сдвига фаз =/2. Далее при изготовлении фазосдвигающей пластины для устранения влияния деполяризационных компонент проводят операцию просветления. Проведение просветления приводит к изменению регистрируемой величины сдвига фаз (см. Фиг.2) и вносит существенную погрешность особенно в окрестности значений сдвига фаз =/2. Именно по этой причине изготовление фазосдвигающей пластины, отличающейся минимальным разбросом значения фазового сдвига от истинного и обеспечивающей наиболее точно сдвиг фаз, равный =/2, является более трудоемким, чем изготовление фазосдвигающей пластины, обеспечивающей фазовый сдвиг =.

Таким образом, вышеприведенные обстоятельства показывают неизбежность возникновения погрешности значений фазового сдвига при изготовлении фазосдвигающих пластин. Собранное на основе этих фазосдвигающих пластин фазосдвигающее устройство будет иметь в той или иной степени отклонение от требуемого значения сдвига фаз и не будет соответствовать требованиям проведения прецизионных измерений.

При изготовлении фазосдвигающего устройства на основе двух фазосдвигающих пластин требуемую точность значения фазового сдвига можно обеспечить подбором положений фазосдвигающих пластин, но тогда их оси будут «скрещены» относительно друг друга, что приведет к появлению оптической активности, то есть возникновению нежелательного поворота плоскости поляризации.

Повышение точности требуемого значения фазового сдвига в предлагаемом техническом решении осуществляется путем расположения фазосдвигающих пластин таким образом, чтобы их оптические оси были повернуты относительно друг друга до достижения значения фазового сдвига требуемой точности, и введения в состав фазосдвигающего устройства элемента, компенсирующего возникающий вследствие указанного расположения фазосдвигающих пластин поворот плоскости поляризации. Таким элементом, например, может служить оптически активная пластина.

Фазосдвигающее устройство содержит (Фиг.3) последовательно оптически связанные первую фазосдвигающую пластину (3), вторую фазосдвигающую пластину (4), оптически активную пластину (5), являющуюся элементом, компенсирующим поворот плоскости поляризации.

Первая фазосдвигающая пластина (3) и вторая фазосдвигающая пластина (4) установлены с зазором на вычитание вносимых ими сдвигов фаз, при этом они установлены относительно друг друга таким образом, что их оптические оси повернуты относительно друг друга до достижения требуемой точности значения сдвига фаз (Фиг. 4). Влияние возникающего поворота плоскости поляризации в результате поворота оптических осей фазосдвигающих пластин с целью достижения требуемой точности значения сдвига фаз устраняется элементом, компенсирующим поворот плоскости поляризации, функцию которого выполняет оптически активная пластина (5).

Оптически активная пластина (5) изготавливается из оптически активного материала, в частности, вырезается из кристаллического кварца перпендикулярно оптической оси. Толщина оптически активной пластины (5) составляет в общем случае 0,5÷1 мм. Элемент, компенсирующий поворот плоскости поляризации, в фазосдвигающем устройстве устанавливается до первой или после второй фазосдвигающей пластины.

Определение фазового сдвига каждой фазосдвигающей пластиной и фазосдвигающего устройства в целом проводят при помощи эллипсометра по известной методике (Хасанов Т. Определение параметров фазовой пластинки и однозонная методика эллипсометрических измерений. Эллипсометрия: теория, методы, приложения. Новосибирск, издательство «Наука», Сибирское отделение. 1987 г., стр.79-83).

Сборку фазосдвигающего устройства осуществляют следующим образом. В эллипсометр (на просвет) устанавливается первая фазосдвигающая пластина, определяются ее оси в соответствии с описанием (Основы эллипсометрии. Под редакцией А.В.Ржанова, Новосибирск, «Наука», Сибирское отделение, 1979 г., стр.272-286). После чего устанавливается вторая фазосдвигающая пластина, ее оси определяются тем же способом, как оси первой фазосдвигающей пластины. Затем оптические оси «скрещивают», то есть выбирают положение фазосдвигающих пластин относительно друг друга, которое обеспечивает требуемую точность значения фазового сдвига. Определяют фазовый сдвиг устройства в целом и величину поворота плоскости поляризации. После чего в зависимости от требуемой точности фазового сдвига на основании данных дисперсии оптического вращения кристаллов (например, которые даны в книге «Гиротропия кристаллов», В.А.Кизель, В.И.Бурков. М., «Наука», 1980 г., стр.277-282) подбирается пластина из того или иного оптически активного материала толщиной, обеспечивающей соответствующее значение поворота плоскости поляризации, рассчитанной на основании данных дисперсии оптического вращения кристалла, за счет которой компенсируется величина поворота плоскости поляризации устройства в целом.

Предлагаемое фазосдвигающее устройство работает следующим образом.

Световой пучок проходит через фазосдвигающую пластину (3) и фазосдвигающую пластину (4), установленные с зазором на вычитание вносимых ими сдвигов фаз и с поворотом их оптических осей относительно друг друга до достижения требуемой точности значения сдвига фаз. После прохождения их достигается фазовый сдвиг с требуемой точностью значения, но при этом возникает поворот плоскости поляризации. Последующее прохождение светового пучка через оптически активную пластину (5) компенсирует поворот плоскости поляризации.

В случае, когда оптическая пластина (5) установлена перед фазосдвигающими пластинами (3) и (4), при прохождении светового пучка через нее возникает сначала компенсирующий поворот плоскости поляризации, а затем при последующем прохождении световым пучком фазосдвигающих пластин (3) и (4) достигается фазовый сдвиг с требуемой точностью значения, при этом компенсирующий поворот плоскости поляризации устраняет поворот плоскости поляризации, возникающий в результате достижения значения фазового сдвига требуемой точности.

Предлагаемое фазосдвигающее устройство обеспечивает требуемую точность сдвига фаз с погрешностью 1÷2 угловые минуты.

Формула изобретения

1. Фазосдвигающее устройство, содержащее оптически связанные две фазосдвигающие пластины, установленные с зазором на вычитание вносимых ими сдвигов фаз, отличающееся тем, что указанные фазосдвигающие пластины установлены так, что их оптические оси повернуты относительно друг друга до достижения требуемой точности значения сдвига фаз, а влияние величины поворота плоскости поляризации устранено элементом, компенсирующим поворот плоскости поляризации, имеющим последовательную оптическую связь с указанными фазосдвигающими пластинами.

2. Фазосдвигающее устройство по п.1, отличающееся тем, что элемент, компенсирующий поворот плоскости поляризации, размещен до первой или после второй фазосдвигающей пластины.

3. Фазосдвигающее устройство по п.1, отличающееся тем, что элемент, компенсирующий поворот плоскости поляризации, выполнен в виде оптически активной пластины.

4. Фазосдвигающее устройство по п.2, отличающееся тем, что элемент, компенсирующий поворот плоскости поляризации, выполнен в виде оптически активной пластины.

5. Фазосдвигающее устройство по п.3, отличающееся тем, что оптически активная пластина изготовлена из кристаллического кварца.

6. Фазосдвигающее устройство по п.4, отличающееся тем, что оптически активная пластина изготовлена из кристаллического кварца.

7. Фазосдвигающее устройство по любому из пп.3-6, отличающееся тем, что оптически активная пластина вырезана перпендикулярно оптической оси.

РИСУНКИ