[发明专利]ArF激光光学薄膜元件综合偏振测量装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明属于ArF准分子激光应用技术领域，涉及一种ArF激光光学薄膜元件综合偏振测量装置。

背景技术

光波是一种横波，其光波矢量的振动方向垂直于光的传播方向。根据光波矢量振动方向的变化情况，可以将光分成自然光和偏振光，偏振光又可以进一步分为平面偏振光(线偏光)、圆偏振光、椭圆偏振光、部分偏振光。对于线偏振光，根据光波矢量振动方向，又可以分为P偏振和S偏振，其中光波电矢量平行于入射平面的为P偏振，光波电矢量垂直于入射平面的为S。基于受激发射机理，绝大部分的激光都是偏振光，偏振是激光的重要特性。与此同时，为了实现特定的偏振光输出，激光器腔内需要使用偏振光学元件。激光器腔内的偏振光学元件对于激光输出的功率和偏振度都有重要影响。在ArF准分子激光器中，为了实现极窄的波长输出，需要采用线宽压窄光学模块，该光学模块包含了多个用于光学扩束的色散棱镜。线宽压窄光学模块不仅直接决定了ArF准分子激光器的输出线宽，而且对于ArF准分子激光器的输出功率和偏振度都有十分重要的影响。因此，精确表征ArF准分子激光器光学薄膜元件的偏振特性，对于其光学薄膜元件的加工、制备、以及整个ArF准分子激光器的研究都具有重要意义。

为了确定光学薄膜元件的偏振特性，需要包含有偏振光学元件的偏振光测量装置。偏振光学元件包括一个起偏光学元件和一个检偏光学元件，起偏器和检偏器的基本原理和功能都是相同的，即让一个电矢量振动方向的光通过器件，而抑制电矢量振动方向与之垂直的光。在深紫外波段，常采用的偏振光学元件的基本类型包括格兰-泰勒棱镜和Rochon棱镜。

目前国际上已经建立的光学薄膜元件偏振特性的测量装置主要包括：带有偏振光学测量附件的分光光谱仪和椭偏仪。但是针对ArF激光光学薄膜元件偏振特性测量，上述两类测量装置都有不足之处。

分光光谱仪的种类很多，可以分为单光路和双光路两种结构类型，其中单光路结构只包含样品光路，而双光路则同时包含样品光路和参考光路。除此之外，还有采用双探测器的单光路结构分光光谱仪。

现有带偏振光学测量附件的双光路结构分光光谱仪。此类偏振特性测量装置的主要工作机理是在非偏振特性测量功能的基础上，通过在光学薄膜元件测量光路中插入偏振光学元件，控制光学元件表面入射光的偏振态，进而获得光学薄膜元件的偏振特性。此类偏振特性测量装置主要是针对宽光谱范围非偏振态特性测量应用，因此，在非偏振特性测量时具有较高的精度。但是偏振测量特性并不是其关注的主要目标，其偏振特性测量仅仅采用了一个起偏光学元件，在探测器前面并没有采用检偏光学元件，不能精确评价由于光学薄膜元件退偏效应导致的影响，因此，其偏振特性的测量精度比较有限，且由于工作波长范围很宽，其偏振特性测量波长范围往往不能覆盖到ArF激光的193nm波长。此外，此类偏振特性测量装置在测量反射时，需要采用专门设计的反射测量附件，才能满足不同入射角时的反射特性。此类带偏振附件分光光谱仪包括了目前所有主要商用分光光谱仪产品，如美国PE公司的系列分光光谱仪产品。

现有带偏振光学测量附件的双探测器单光路结构分光光谱仪。此类偏振特性测量装置的主要工作机理也是在非偏振特性测量功能的基础上，通过在光学薄膜元件测量光路中插入偏振光学元件，控制光学元件表面入射光的偏振态，进而获得光学薄膜元件的偏振特性。与现有带偏振光学测量附件的双光路结构分光光谱仪相比，其采用了双探测器单光路结构，即在光学薄膜元件前面利用一个斩波器，将入射光切换成两束光，一束光反射进入参考探测器，另一束光入射到光学元件样品表面。与现有带偏振光学测量附件的双光路结构分光光谱仪相似，此类偏振特性测量装置的偏振特性测量也仅仅采用了一个起偏光学元件，在信号光探测器的前面并没有采用检偏光学元件，同样不能精确评价由于光学薄膜元件退偏效应导致的影响，其偏振特性的测量精度也是比较有限。但是其偏振特性测量波长范围能够覆盖ArF激光的193nm波长，也可以测量不同角度入射时的反射特性。

现有光谱型椭偏光谱仪。此类偏振特性测量装置的主体包括一个起偏器、一个检偏器和一个探测器。其主要工作机理是固定起偏器(和检偏器)在一个合适的角度，通过测量并比较检偏器(或起偏器)在不同角度时的探测器探测到的信号光强，进而获得两个椭偏测量参量Ψ和Δ。为了能够表征光学样品的退偏效应，可以在上述装置的基础上，在光路中增加一个可调或旋转的补偿器。从上述表述可以看到，此类偏振特性测量装置的主要目的是测量椭偏参量Ψ、Δ以及偏振度。虽然可以测量偏振光的强度，但实际上主要是测量偏振光的相对强度，并且是针对样品反射特性的测量。

发明内容