AT406308B - Verfahren für ortsauflösende lichtmessungen - Google Patents

Description

AT 406 308 B

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur ortsauflösenden Lichtmessung, z. B. Messung der räumlichen Verteilung der Lichtstrahlintensität, wobei in einem Plättchen aus magneto-optischem Material durch in der Nähe montierte Magnete mit entgegengesetzten Polaritäten 8 vorzugsweise eine einzelne Domänenwand erzeugt wird und welches von einem polarisierten Lichtstrahl durchsetzt wird.

Eine magneto-optische Vorrichtung zur Lichtmodulation ist in der Patentschrift US 5477376 A beschrieben. Dabei durchsetzt ein Lichtstrahl einen Kristall und wird an einer Streifen-Domänenstruktur gebrochen. Die Amplitude des Diffraktionsmodus Nullter Ordnung wird durch die Änderung der Domänenstruktur zufolge äußerem Magnetfeld moduliert. Ein wesentlicher Nachteil dieser Anordnung ist die nichtänderbare Richtung des Ausgangs-Lichtstrahls. Eine weitere Vorrichtung für räumliche Lichtmodulation beinhaltet die Anmeldung JP 60-130724A. Diese Methode basiert ebenfalls auf der Lichtbrechung an einer streifenförmigen Domänenstruktur und verwendet die Ordnungen +1 und -1 der Diffraktion. Der Hauptnachteil ist eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse.

Bekannte ortsauflösende Meßgeräte sind beispielsweise CCD- Chips. Deren Nachteile bestehen aber in der räumlichen Inhomogenität aufgrund der diskreten Struktur der lichtempfindlichen Teile und in der begrenzten Meßgeschwindigkeit. Eine Erhöhung der Meßgeschwindigkeit und der räumlichen Homogenität ist durch eine Kombination eines hochempfindlichen Photoempfängers mit einem davor montierten magnetooptischen Element mit zellförmiger Domänenstruktur und einem Analysator erzielbar: W. E. ross, D. Psaltis and R. H. Anderson "Two- dimensional magnetooptical light modulation for Signal Processing'1, Optical Engineering v.22, 485 (1983), Figur 1. Die zellförmige Domänenstruktur erreicht man, indem der magneto-optische Werkstoff mit feinen Schnitten in kleine Teilchen zerteilt wird. Jedes Teilchen wird separat in eine der beiden entgegengesetzten Richtungen magnetisiert und repräsentiert eine einzelne Domäne, in der alle magnetischen Momente in die gleiche Richtung weisen. Eine Änderung der Magnetisierungsrichtung wird mittels Stromimpulse von einem die Domäne umschließenden Elektrodenpaar hervorgerufen. Die Ummagnetisierungsrate ist durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wandverschiebung (und damit Vergrößerung der Domänen mit einer neuen Magnetisierungsrichtung) über das Teilchen begrenzt. In der hier beschriebenen Anordnung beträgt die Ummagnetisierungsrate etwa 1ps. Der Analysator 4 wird in jene Richtung gedreht, in der der durch die Domäne mit einer bestimmten Magnetisierungsrichtung durchgegangene linear polarisierte Lichtstrahl ausgelöscht wird. Es wird also nur jenes Licht durchgelassen, das die in die Gegenrichtung magnetisierte Domäne durchsetzt hat. Durch Stromimpulse mittels Elektroden wird in einem Plättchen eine bestimmte Domänenstruktur hergestellt 2. Das heißt, bestimmte Bereiche des Plättchens (sowie der Analysator) lassen das Licht durch, während andere es nicht durchlassen. Mit Hilfe eines Photoempfängers wird die der jeweiligen Domänenstruktur proportionale Lichtintensität gemessen, und damit eine ortsauflösende Lichtmessung ermöglicht.

Diese Methode der ortsauflösenden Lichtmessung weist eine höhere Homogenität der empfindlichen Elemente auf als CCD- Chips. Dennoch verbleibt ein Problem bezüglich der Lichtundurchlässigkeit (zumindest durch die Streuung, schwach transparent) an den Teilchengrenzen in den geschnittenen Schlitzen sowie an den Elektroden.

Im Gegensatz zu den bei der Diskussion des Standes der Technik erörterten Nachteilen bietet die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 beschriebene Vorrichtung die Möglichkeit einer Messung mit hoher Homogenität, hoher Ortsauflösung und hoher Meßgeschwindigkeit. Aufgrund der extrem hohen Grenze der Verschiebungsgeschwindigkeit der Domänenwände kann beispielsweise in Orthoferritkristallen eine Meßzeit von weniger als 0.1 ps erreicht werden.

Weiters kann diese Erfindung für Winkelmessungen gemäß dem Anspruch 2 angewandt werden und für die Erfassung der Aufnehmerauslenkung von atomaren oder magnetischen Kraftmikroskopen, für Oberflächenprofilierung von optischen Elementen, Vibrationsmessungen, Echtzeitmessungen geometrischer Abweichungen von Bearbeitungstischen, Laserpointing Toleranzkontrolle und Laser-Spiegel Servosteuerung verwendet werden.

Konventionelle hochpräzise Winkelmessungen werden mittels Interferometer ausgeführt. Diese Geräte sind gewöhnlich groß, was ihren Anwendungsbereich einschränkt, besonders für Echtzeitmessungen. Geräte für hochpräzise Winkelmessungen wurden in der Arbeit von (F.J. Schuda, "High precision, wide- ränge, dual axis, angle monitoring System." Rev.Sci.Instrum., 54, 1648-1652 (1983)], beschrieben. 2

AT 406 308 B

In der beschriebenen Veröffentlichung wurde eine Photodiode mit Lateraleffekt als ortsauflösender Photoempfänger verwendet. Die Nachteile dieses Photoempfängers sind die Inhomogenitäten und Nichtlinearitäten seiner Reaktionen. Zur Lösung dieser Probleme wird in der Arbeit von [L. Zeng, H. Matsumoto and K. Kawachi: "Scanning beam collimator method for measuring dynamic angle variations using an acousto-optic deflector", Opt. Eng. 35, 1662-1667 (1996)] eine Abtaststrahl-Kollimatormethode, kombiniert mit einer Technik zur Ermittlung der Mittenposition, entwickelt. Das Laserlicht wird durch eine akusto-optische Ablenkeinheit (AOD) abgelenkt und eine Beugung erster Ordnung wird von einem Spiegel reflektiert. Der reflektierte Lichtstrahl durchläuft wieder die AOD und ein Teil des Strahls, der durch einen Strahlteiler reflektiert und durch einen Strahlausweiter ausgeweitet wird, ist das Eingangssignal für einen ortsauflösenden Photoempfänger.

Die AOD wird als Brechungsabtastung verwendet. Der Winkel der Brechung erster Ordnung Θ ist gegeben durch: sin 0 = λ/d, oder für kleine Winkelbeugungen: θ=λ/ά, wobei λ die Wellenlänge des Lichtes ist, und d die Wellenlänge des akustischen Feldes im Medium. d = v/v, wobei v die Geschwindigkeit und v-die Frequenz der Schallwelle ist. Die Frequenz vwird durch einen spannungsgeregelten Oszillator (VCO) zugeführt, gemäß v = n + kV. n ist ein konstanter Frequenzoffset, V ist die über einen Funktionsgenerator angelegte Eingangsspannung am VCO. Der Transformationsparameter k ist durch Anlegen einer bekannten Spannung V und Messung der Frequenz n mittels Frequenzzähler bestimmt. Mithilfe der Gleichungen (1) - (4) kann die Winkelabweichung Δθ -λ /v Δν- λ /ό kAJ.

Mittels der Beugungsabtastung ist es möglich, die Probleme der Nichtlinearitäten des ortsauflösenden Photoempfängers zu beseitigen. Das heißt der Strahl wird abgetastet und die Spannung V sowie die Ausgangsspannung des Photoempfängers werden gemessen. Ist der Strahl normal zum Spiegel, wird der Ausgang des Photoempfängers Null. Der betreffende Spannungswert V wird im Computer gespeichert. Während der nächsten Spannungsabtastung (repektive Strahlrichtung) wird der andere Spannungswert V bezüglich des Nullwertes des

Photoempfängers ermittelt Unterschiede der Spannungswerte V führen zu einer Änderung von ΔΘ gemäß Gleichung (5) im Zeitintervall zwischen den Abtastvorgängen.

Die Nachteile dieser Methode sind Fehler, die durch Rauschen und Temperaturabhängigkeiten des VCO- Signal entstehen. Die Methode erfordert strenge Anforderungen an die Oberfläche des gemessenen Spiegels, da während der Abtastung die gemessenen Reflexionen von verschiedenen Stellen des Spiegels kommen. Die Abtastfrequenz des Meßsystems beträgt üblicherweise 1 kHz.

Eine Erhöhung der Winkelmeßgenauigkeit, die Minimierung des Inhomognitätseinflusses der reflektierenden Oberfläche und die Erhöhung der Abtastfrequenz können durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Winkelmessung erreicht werden.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1: Messung der räumlichen Lichtverteilung mit Hilfe eines magneto-optischen Kristalls mit zellförmiger Domänenstruktur.

Figur 2: Messung der räumlichen Lichtverteilung mit Hilfe eines magneto-optischen Kristalls mit einzelner Domänenwand.

Figur 3: Prinzipanordnung der Winkeldifferenzmessung mit Hilfe von Domänenwandbewegungen

Figur 4: Zweidomänenstruktur in einem Yttrium Orthoferritplättchen

Fig. 1 zeigt eine Anordnung mit einem Polarisator 1, einem Plättchen 2 aus magneto-optischen Werkstoff mit einzelner Domänenstruktur Analysator 3, Linsen 4 und einem Photoempfänger 5. Fig. 2 zeigt den zu messenden Lichtstrahl, der den Polarisator 1, den magneto-optischen Kristall 6, z. B. ein normal zu den optischen Achsen geschnittenes Orthoferritplättchen, den Analysator 3 und 3

AT 406 308 B eine Linse 4 durchdringt und auf einen Photoempfänger fokussiert wird. Kleine Magnete 8 erzeugen ein magnetisches Gradientenfeld, das eine Zweidomänenstruktur mit einer einzelnen Domänenwand formt. Stromimpulse in der Spule 7 erzeugen ein veränderliches Magnetfeld, das ein Oszillieren der Domänenwand mit einer bestimmten Frequenz bewirkt. Daraus folgt im Gebiet der Wandbewegung, dass die Domänen entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung unterschiedliche Bereiche abdecken. Insbesondere ändert sich auch örtlich das Vorzeichen der Faraday-Rotation im Orthoferrit- Plättchen. Wenn der Analysator 3 so gedreht wird, dass ein Lichtstrahl, der durch eine Domäne mit einer bestimmten Magnetisierungsrichtung durchgeht, gelöscht wird, dann lässt er das Licht einer entgegengesetzt magnetisierten Domäne durch.

Nach einer Halbperiode besetzt die „lichtundurchlässige Domäne" jenes Gebiet der Probe, wo der zu messende Lichtstrahl auftrifft. Daraufhin erreicht kein Licht den Photoempfänger. Wenn während ihres Bewegungsvorganges die Domänenwand den Lichtstrahl erreicht, erhellt das Licht den Photoempfänger. Gemessen wird die Abhängigkeit des Photostromes von der Zeit, oder präziser von der Phase des Stromes in der Spule 7. Diese Abhängigkeit wird verglichen mit einer vorher gemessenen Abhängigkeit χ(ί) der Domänenwandposition von der Zeit (bzw. von der Stromphase). Aus diesem Vergleich wird die Verteilung der Lichtintensität in Richtung der Domänenwandbewegung in folgendre Weise abgeleitet: In der Vorrichtung zur Messung des Photostromes 10 wird ein zur Zeit t gemessenes Signal von einem zur Zeit t + At gemessenen Signal subtrahiert. Diese Differenz der Photoströme, respektive der Intensitäten, entspricht der Lichtintensität auf dem Streifen des magneto-optischen Kristalls mit der Breite Δχ(ί) = χ(ί + At) -χ(ί). Durch die Messung von Δχ(ί) kann die Verteilung der Lichtintensität in Richtung der Domänenwandbewegung bestimmt werden. Die Auflösung Δχ der Messungen hängt von der Geschwindigkeit der Domänenwand ab.

Gemäß Fig. 3 fällt ein Laserstrahl 11 auf das Messobjekt 12. Nach einer Reflexion an der Oberfläche des Objektes wird der Strahl mit Hilfe der Linsen 13 in einem Punkt am magnetooptischen Kristallplättchen 6, z. B. einem Yttrium Orthoferrit, fokussiert. Der Abstand zwischen dem Anfangspunkt 0 und dem Orthoferrit- Plättchen ist bekannt. Durch Messung der Lichtstrahlposition an der Oberfläche des Plättchens kann der Winkel v ermittelt werden. Diese Positionsmessung wird mit Hilfe der Domänenwandbewegungen ermöglicht. Kleine Magnete 8 erzeugen ein magnetisches Gradientenfeld, das eine Zweidomänenstruktur mit einer einzelnen Domänenstruktur erzeugt. Stromimpulse in der Spule 7 generieren ein zeitlich veränderliches Magnetfeld, unter dessen Einwirkung die Domänenwand mit einer bestimmten Frequenz oszilliert. Dadurch ist das Gebiet der Domänenwandbewegung von Domänen mit entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung sequentiell besetzt Insbesondere wechselt auch das Vorzeichen der Faraday-Rotation im Orthoferrit- Plättchen. Wird der Analysator 3 in jene Richtung gedreht, in der der Lichtstrahl, der durch eine Domäne einer Orientierung durchgeht, ausgelöscht wird, dann läßt er jenes Licht durch, das durch die entgegengesetzt orientierte Domäne durchgeht. Fig. 4 zeigt schematisch eine Zweidomänenstruktur, die durch einen breiten Lichtstrahl erhellt und mit Hilfe eines in diese Richtung gedrehten Analysators visualisiert wird. Nach dem Durchgang durch den Analysator wird der Lichtstrahl mit Hilfe der Linsen 4 am Photoempfänger fokussiert.

Die Positionsmessung des Lichtstrahls auf der Oberfläche des Plättchens wird folgendermaßen durchgeführt. Wenn die lichtundurchlässigen Domänen jenes Gebiet des Plättchens besetzen, auf das der reflektierte Lichtstrahl auftrifft, erreicht das Licht den Photoempfänger nicht. Während ihres Bewegungsvorganges kreuzt die Domäne den reflektierten Lichtstrahl, die "dunkle" Domäne wechselt in eine "transparente” und der Lichtstrahl erreicht den Photoempfänger. Dieser Zeitpunkt wird von einem Oszilloskop 10 in Form eines Photostromimpulses registriert. Da die zeitabhängige Domänenposition vorbestimmt ist, entspricht der Moment des Photostromimpulses der Position (und damit dem Einfallswinkel) des reflektierten Lichtstrahls.

Eine größere Amplitude des Photostromimpulses entsteht dann, wenn der Winkel zwischen der Hauptebene des Analysators und die Polarisation des reflektierten Lichtes 45° ist. In diesem Fall ergibt sich das Maximum des Modulationsgrades zu. M= (/+ - l.)ll0

Dabei sind /+ und I. die Intensitäten des Lichtes, das durch die entgegengesetzt magnetisierten Domänen und den Analysator durchgegangen ist und l0 ist die Intensität des Anfangslichtes. Bei einer Wellenlänge von λ= 0.63pm und einem Orthoferrit- Plättchen mit optimaler Dicke liegt der Modulationsgrad bei etwa 15%. 4

Claims (2)

1. AT 406 308 B Bei einer Wellenlänge von λ= 1.5pm erreicht der Modulationsgrad bis zu 99%. Das heißt, der Intensitätsunterschied des Lichtstrahls, hervorgerufen durch eine Änderung der Magnetisierungsrichtung, ist praktisch gleich der Intensität des auf das Orthoferrit- Plättchen auftreffenden Lichtes. Das sichert einen hohen Störabstand und hohe Meßauflösung. Ändert man den Abstand zwischen dem Meßobjekt und dem magneto-optischen Plättchen, dann variiert die Größenordnung und die Auflösung der Messungen. Die Meßzeit soll weniger als 0.1 ps betragen. Für die Vielfalt von Auswertemethoden sei folgendes Beispiel genannt: Der Strom in 7 ist so eingestellt, daß der Detektor 5 einen bestimmten Signalwert, z. B. 50% des Ausgangsignals, erreicht. Die Stromamplitude entspricht der Lichtstrahlposition (und dem Einfallswinkel). Mit den oben genannten Verfahren sind auch Distanzmessungen (mit bekanntem Winkel) möglich, indem die Lichtstrahlposition mit dem (unbekannten) Abstand zur Oberfläche variiert. Patentansprüche: 1. Vorrichtung zur ortsauflösenden Lichtmessung, z.B. Messung der räumlichen Verteilung der Lichtstrahlintensität, wobei in einem Plättchen aus magneto-optischem Material durch in der Nähe montierte Magnete mit entgegengesetzten Polaritäten vorzugsweise eine einzelne Domänenwand erzeugt wird und welches von einem polarisierten Lichtstrahl durchsetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchen einem durch eine Spule (7) erzeugten zeitlich veränderlichen Magnetfeld ausgesetzt ist, wodurch vorzugsweise eine einzelne Domänenwand quer zum gemessenen Lichtstahl in Bewegung versetzt wird und in einem Analysator (3) die durch die Domäne mit einer bestimmten Polarisationsrichtung durchgelassenen Lichtstrahlen ausgelöscht werden, und die zeitliche Änderung der im Detektor (5) registrierten Intensität mit der durch die Spule (7) erzeugten Magnetfeldstärke korrelliert wird.
2. 2. Vorrichtung zur ortsauflösenden Lichtmessung, insbesondere Winkeldifferenzmessung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßobjekt mit reflektierender Oberfläche mittels eines Lichtstrahles beleuchtet wird und der Ausgang des Photodetektors (5) mit einer Vorrichtung zur Messung des Zeitpunktes des Photostromimpulses (10) verbunden ist, wobei die Richtung des reflektierten Lichtes durch die Bestimmung der Zeitpunkte der Änderungen der Amplitude des Photostromes unter Berücksichtigung der Phasenlage des das Magnetfeld erzeugenden elektrischen Stromes sowie durch das Auffinden der Position des reflektierten Lichtstrahles mittels der Lage der Domänenwand ermittelt wird. Hiezu 4 Blatt Zeichnungen 5