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      1. 光學材料及元件中應力雙折射的成像測量

        廣州斗龍光學科技有限公司(http://www.looneydoodle.com)非球面透鏡生產工廠

           

            光學元件內部應力產生的雙折射效應會影響到光的偏振狀態,而這在微平板印刷、激光光學和天文學等應用方面是不能容忍的。通常,精確測量微小應力雙折射的要求非??量?。而能夠同時給出應力雙折射空間分布及其方向的圖像偏振測量儀,使這一問題得到了很好的解決。

            在不太嚴格的條件下,光學玻璃通??烧J為是均勻的,其折射率在各個方向上處處相等的。但是,由材料原因或者生產過程形成的應力會使材料的結構發生形變,從而沿軸向產生了局部密度差異。光在介質中的傳播速度與材料密度有關,局部密度的變化導致了光在介質中傳播時的速度差異,以及與方向相關的折射率的改變。介 質在應力的作用下產生的雙折射現象,就是所謂的應力雙折射(SBR)。

            除了光學上各向同性的材料外,也同樣存在著許多自然形成的光學各向異性材料,也就是我們所熟知的雙折射材料,例如方解石和石英晶體。對于這些材料,在機械應力的作用下也能看到折射率比的變化,這些變化可以如此之大以至于造成晶體材料的損傷。甚至于局部折射率的微小變化也會對光學元件的成像質量產生負面影 響,從而影響其功能。此外,雙折射改變了透射光的偏振狀態,這在諸如計量等應用方面是有害的。因此,在光學材料及元件的制造中,精確確定應力雙折射及其空間分布是極其重要的。

         

        1.光彈效應

            從原理上講,可以通過光沿不同軸向的傳播速度來測量應力。直接測量光速差就能夠得到雙折射及應力。然而,我們通常利用干涉儀測量光彈效應所造成的偏振光變化,代替直接測量光的傳播速度或者相位差。

            線偏振光,其電矢量只在某一平面內振動,可以被看成是兩列與原光波夾角為45° 光波在同一直線上的分量的合成,這兩列波之間夾角為90°, 并且滿足特定的位相關系(圖1a)。如果這兩列波以相同的速度傳播,它們的波峰和波谷則保持一致,疊加之后將產生與原光波一樣的線偏振光(圖1b)。

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                    1a 兩列波分別在垂直和水 平方向上振動,圖例顯示了光波沿時間軸變化的過程

                         b 兩列傳播速度相同的光波合成后的光波仍為線偏振光

                         c 兩列波之間產生了1/4波長的延遲,形成了圓偏振光

                         d 兩列波之間產生了1/8波長的延遲,形成了橢圓偏振光

         

            但是,如果兩列波在給定長度的雙折射材料內以不同的速度傳播時,將在兩列波之間產生一個光學延遲,可以用nm或者波長的分數來描述。如果延遲正好等于1/4波長,疊加后的電矢量則為圓形,也就是人們所說的圓偏振光(圖1c、圖2)。通 常情況下,光學延遲并不等于λ/4,結果就產生了橢圓偏振光(圖1d)。線偏光和圓偏光也可以被理解為橢圓偏振光的特例。

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        2:垂直振動的光波其波峰與水平振動的光波零 點重合,產生了圓偏振光

         

            線偏振光從進入雙折射材料到離開,可以描繪成兩列偏振方向互相垂直的光波的合成,但是它們之間往往具有不同的位相,因此通常會形成橢圓偏振光。新生成的橢圓偏振光,其橢偏度(橢圓長短軸的比值)可以作為雙折射和材料內應力的度量。

         

        2.測量原理

            為避免直接測量橢圓的形狀,通過一輔助的1/4波片,可將橢圓偏振光轉換成線偏振光。這一方法被稱之為補償 法,相應的測量裝置如圖3所示。該波片快軸方向與起偏器平行。嚴格的講,光通過波片后并非 完全的線偏振光,但是僅考慮線偏振光部分就足夠了。與原偏振光偏振方向相比,它們之間存在一個確定的角度,角度大小與延遲量成正比,因此可以作為橢偏度或者雙折射的量度。角度值可以通過手動旋轉檢偏器,使觀測點處光透過強度達到最小來測定。

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        3:測量應力雙折射的偏振儀原理圖(senarmont原理) 

            

            檢偏器與起偏器之間的初始為90°夾角。在沒有放入雙折射材料樣品時,我們將會得到一幅漆黑的圖像。但如果放入一塊透明的測試樣品,由于存在連續無關的邊緣應力,導致局部產生了明亮區域(圖4左)。斜對角方向的應力與起偏器光軸方向成45°角,因此光能量只有一部分才能通過檢偏器。轉動檢偏器,光強度會隨之改變(圖4右、中)。當光的偏振面與檢偏器的偏振方向相垂直時,光強度達到 最小。延遲量Rnm)可由下列關系式確定:

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        式中α為旋轉角度,λ為使用的波長。但是只有那些與起偏器方向成45°角的應力產生的偏折光通過1/4波片后才能獲得正確的絕對光強度。

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        4:檢偏器在不同位置時獲得的強度圖像。玻璃圓盤的

                                     邊緣應力已知,偏振面方向為圖像的斜對角線

        3.自動測量

            上述普遍采用的方法,其不足之處在于,很難按要求的精度和可復現性確定強度最小時的位置。此外,只有通過增加足夠的測量時間和測量次數,才可能獲得應力的空間分布狀態。最后,僅僅那些與起偏器軸向成45°角的應力才能用這種方法測量得到。其它方向將會產生衰減,正 如(圖4左)所示。并且測量之前需將測試樣品對準。特別是當SBR值較小時(<10nm),客觀的、滿足精度要求的測量幾乎是不可能的,除非耗費足夠的時間和精力。測量非均勻性的應力方向時,對于每一個測量點,我們都需要先將測試樣品旋轉到正確的位置。

            考慮到上面所說的困難,實現測量裝置和測量過程的自動化是很有意義的。到目前為止,已經有許多有效的方案,能夠按照所要求的精度自動測量單個測試點的應力雙折射。但是這些測量系統僅僅能夠給出很小被測區域的信息。為了對更大表面的樣品進行測量,需要通過掃描的方式來實現。

            對于大的樣品尺寸,在可接受的測量時間內,它所能達到的空間分辨率相應要低一些。為了避免光束偏折及發散等問題,對樣品的面形質量則有很高的要求。

         

        4.圖像測量

            出于這些原因,一種易于使用,能夠按空間分布快速、精確測定應力雙折射的強度和方向的成像測量系統被開發出來。圖5給出了已實現的測量系統,其功能原理本質上與圖3所示的裝置相一致。通過使用成像陣列代替光子探測器,該系統可以單次分析整個被測區域,避免了掃描樣品和重復進行單點測量。橫向分辨率由被測區域大小及攝像機的分辨率所決定。

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        5:自動測量應力雙折射空間分布及方向的成像系統

         

            正如前面已經提到的,只有方向與起偏器軸向成45°角的應力才能夠由線偏振儀所確定。因此,改變起偏器的軸向位置(以光學系統的旋轉代替樣品的旋轉),進行多次測量,然后將分步測量得到的結果合并成完整的結果,如圖6所示。

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                             6:對圖4中圓盤進行測量所得到的 的圖像(右上),下側三幅

                                  圖分別為、30°、60°時的結果。在彩色 編碼圖中,藍

                                  色代表低SBR值,紅色代表高SBR值。

         

            例如,采用像素數為696 X 520的攝像機,對尺寸為100 x 75mm2 區域進行分析,可以獲得近似0.14mm(像素空間)的空間分辨率。在少于1分鐘的測試時間內,測量值的可重復性偏差為±0.1nm。SBR的方向由像素逐一確定。

         

        5.應用

            圖像測量系統測量應力雙折射的一個重要應用就是,檢 測用于制造光學平板印刷透鏡的材料,特別是對那些光學薄片步進系統。除了所謂的i-line玻璃(365nm平板印刷)之外,石英玻璃和氟化鈣晶體用于更短的波長(248nm193nm)。為了達到所要求成像質量(結構尺寸在40nm),對最初使用的材料要求就特別高。除精確測量殘余應力等級外,高空間分辨率的成像系統還能給出玻璃基片或者晶體結構的微小缺陷(圖7和圖8)。

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        7:單晶CaF2的測量結果,直徑25mm,厚度4mm

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        8:單晶BaF2的測量結果(25mm),可以清晰的看到晶體結構中的局部瑕疵

         

             在光學方面更多重要的應用還包括:由陶瓷玻璃制成的天文用鏡面載荷、1/4波片、補償器(圖9)、激 光晶體、光學窗口、透鏡、棱鏡等,特別是那些用于激光光學的材料。

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        9:石英楔的測量:按彩色編碼的分布圖及評估 曲線

         

        6.概要

            圖像偏振測量儀易于快速、精確的測量應力雙折射及其空間分布和方向。與逐點測量方法相比,圖像測量系統具有明顯的優勢,除了對空間分辨率有較高要求的應用外,相對較低的面形質量要求也是一個重要的方面。

         

         

        作者:Henning Katte     ilis gmbh常務董事

         

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