Método y sistema para determinar una pluralidad de elementos de una matriz de Mueller.

La presente invención se refiere al uso de un elemento con poder óptico rotatorio para cambiar el ángulo de acimut del estado de polarización en un método o sistema para determinar una pluralidad de elementos de una matriz de Mueller.

Método y sistema para determinar una pluralidad de elementos de una matriz de Mueller.

La presente invención hace referencia a un métodoyaun sistema para determinar una pluralidad de elementos de una matriz de Mueller. La presente invención hace referencia adicionalmente a la utilización de elementos con poder óptico rotatorio en dichos sistemas o métodos.

Estado de la técnica

La polarimetría es la medida e interpretación de la polarización de ondas transversales, sobretodo de las ondas electromagnéticas, como ondas de radio o de luz. Típicamente, polarimetría se aplica a las ondas electromagnéticas que han viajado a través de o han sido reflejadas, transmitidas o dispersadas por una muestra con el fin de caracterizar dicha muestra. La polarimetría de reflexión de películas delgadas y superficies se conoce comúnmente como elipsometría.

Los polarímetros, elipsómetros y dispositivos similares por lo general comprenden una fuente de luz y un generador de estados de polarización (PSG) , que polariza esta luz. La luz polarizada se dirige posteriormente a una muestra para ser investigada. La luz que es reflejada (o transmitida o dispersada) por la muestra generalmente pasa a través de un analizador de estado de polarización (PSA) y, a continuación, se recoge p. ej. por un tubo fotomultiplicador. El PSG y el PSA (cuando está presente) típicamente comprenden polarizadores lineales y también pueden incluir moduladores que pueden cambiar el estado de polarización, p. ej. láminas cuarto de onda, moduladores fotoelásticos o moduladores de cristal líquido. Determinando la intensidad (o la variación temporal de la intensidad para sistemas modulados) de la luz recogida, se pueden detectar los cambios en el estado de polarización en la interacción con la muestra. Dicha influencia puede expresarse mediante los dieciséis elementos de una “matriz de Mueller” 4x4.

Los polarímetros más conocidos no miden todos los dieciséis elementos de una matriz de Mueller. Por ejemplo, los dicrógrafos (polarímetros dedicados a la medición de dicroísmo) miden sólo un elemento de la matriz, y la mayoría de los elipsómetros miden de uno a tres elementos.

La patente US 6.753.961 describe un elipsómetro espectroscópico que comprende una fuente de luz policromática, un espectrómetro, un polarizador y un polarizador analizador, y uno o más objetivos en los trayectos de iluminación y recogida de luz. El elipsómetro comprende además un modulador de polarización estacionario que modula la polarización de la luz respecto a la longitud de onda. El modulador puede ser un cristal ópticamente activo que gira el plano de polarización un ángulo diferente para cada longitud de onda o un retardador de lámina no acromático que varía periódicamente el retraso de la fase relativa de los componentes de polarización respecto a la longitud de onda. Este elipsómetro espectroscópico puede medir sólo dos parámetros relacionados con dos elementos de la matriz de Mueller.

Sin embargo, también es conocido el uso rotadores mecánicos para girar mecánicamente los elementos ópticos, dando lugar al PSG o al PSA, que permite la determinación de más elementos de la matriz de Mueller.

La patente US 5.956.147 describe un elipsómetro generalizado con dos moduladores que comprende dos pares polarizador-modulador fotoelástico (PEM) , una fuente de luz óptica, un sistema de detección óptica, y la electrónica de procesamiento de datos y de control asociada, donde los PEMs vibran libremente. La luz incidente pasa a través del primer par polarizador-PEM, se refleja en la superficie de la muestra o pasa a través de la muestra, pasa por el segundo par PEM-polarizador y se detecta. Esta configuración permite la determinación simultánea de ocho elementos de la matriz de Mueller. Para determinar más elementos de la matriz de Mueller (hasta 16) , se pueden cambiar los ángulos acimutales de los pares PEM-polarizador con respecto al plano de la incidencia utilizando un mecanismo de rotación mecánico.

Una desventaja inherente al uso de rotadores mecánicos es que deben usarse dispositivos muy precisos (y por lo tanto caros) para obtener una buena precisión en la rotación del acimut del generador de estados de polarización (PSG) y/o del analizador de estados de polarización (PSA) . La rotación del PSG y/o PSA puede modificar la dirección de propagación del haz luminoso. Esto es debido principalmente a la alineación imperfecta de los componentes ópticos que forman el PSG y el PSA y debido a que el haz de luz que no incide totalmente perpendicular en sus superficies. Existirá un ángulo de incidencia pequeño, pero generalmente no insignificante, para luz dirigida hacia estos elementos ópticos (p. ej. los polarizadores y los PEMs) . Si se considera, como una estimación aproximada, que el PSG es un único elemento óptico de SiO2 (cuarzo) con un espesor de 50 mm (el espesor de la barra óptica del PEM junto con la del polarizador es generalmente más alto) , para una desalineación de 1º, la ley de Snell indica que el haz a la salida del PSG estará desplazado lateralmente alrededor de 0.6 mm respecto del haz de entrada.

Si se considera la rotación acimutal de todo el PSG se podría también tener en cuenta que el eje de rotación podría no estar perfectamente alineado con el haz de luz ni con la normal a la superficie. Todo esto lleva a desviaciones del haz de luz que varían según la posición acimutal del PSG. Estas desviaciones dan lugar a pequeñas, pero notables, diferencias en el área iluminada de la muestra en función de la posición angular del PSG y/o del PSA que puede llevar a errores importantes en la medición de la matriz de Mueller, si las muestras investigadas no son homogéneas en el plano. Por lo tanto, la rotación mecánica de un PSG y/o PSA (en particular, para PSG o PSA gruesos) no puede ser compatible con muestras que requieren la medida de la matriz completa de Mueller con elevada resolución lateral.

Existe por lo tanto la necesidad de un método y sistema para la determinación parcial o total de una matriz de Mueller con mejor resolución lateral. También existe la necesidad de un método y sistema para la determinación parcial

o total de una matriz de Mueller, que puede ser utilizada para muestras altamente inhomogéneas. Existe también la necesidad de un método y un sistema de determinar una matriz completa de Mueller sin necesidad de utilizar elementos de rotación mecánicos.

Es objeto de la presente invención satisfacer al menos parcialmente estas necesidades.

Explicación de la invención

En un primer aspecto, la presente invención proporciona un método para la determinación de una pluralidad de elementos de una matriz de Mueller indicativa de uno o más parámetros ópticos de una muestra a analizar, donde el método comprende generar radiación electromagnética, polarizar la radiación, dirigir la radiación hacia la muestra a analizar y permitir que la radiación interaccione con la muestra, recoger al menos una porción de la radiación reflejada transmitida o dispersada por la muestra, analizar el estado de polarización de la radiación recogida y determinar una pluralidad de elementos de la matriz de Mueller, donde la radiación electromagnética recogida es substancialmente monocromática, y donde el ángulo acimutal del estado de polarización de la radiación se modifica antes y/o después de la interacción de la radiación con la muestra haciendo pasar la radiación a través de un elemento con poder óptico rotatorio.

En este aspecto de la invención, en lugar de un sistema de rotación mecánico utilizado generalmente en el estado de la técnica, se utiliza un elemento con poder óptico rotatorio para cambiar el ángulo de acimut del estado de polarización en una cantidad determinada. El ángulo de acimut (también conocido como el “ángulo de inclinación”) de un estado de polarización es el ángulo entre el semieje principal y el eje x de una elipse de polarización. El uso de dicho elemento con poder óptico rotatorio en lugar de la rotación mecánica permite mejorar la resolución espacial de las medidas. También puede reducir el tamaño y el precio de los instrumentos utilizados en la determinación parcial o determinación completa de una matriz de Mueller.

En el contexto de la presente invención, se entiende como un elemento con poder óptico rotatorio cualquier elemento capaz de girar apreciablemente el plano de polarización de la... [Seguir leyendo]

1. Método para determinar una pluralidad de elementos de una matriz de Mueller indicativa de uno o más parámetros ópticos de una muestra a analizar, que comprende generar radiación electromagnética, polarizar la radiación, dirigir la radiación polarizada hacia la muestra a analizar y permitir que la radiación interaccione con la muestra, recoger al menos una porción de la radiación reflejada y/o transmitida y/o dispersada por la muestra, detectar la intensidad de la radiación recogida, y determinar una pluralidad de elementos de la matriz de Mueller, donde la radiación electromagnética recogida es substancialmente monocromática, y donde

el ángulo acimutal del estado de polarización de la radiación se modifica antes y/o después de la interacción de la radiación con la muestra haciendo pasar la radiación a través de un elemento con poder óptico rotatorio.

2. Método según la reivindicación 1, donde el elemento con poder óptico rotatorio es una lámina de un cristal ópticamente activo.

3. Método según la reivindicación 2, donde la lámina está fabricada con cuarzo y tiene su eje óptico perpendicular a las caras de la lámina.

4. Método según la reivindicación 3, donde la lámina de cuarzo tiene un espesor substancialmente entre 0.1 mm y 2 mm.

5. Método según la reivindicación 1, donde el elemento con poder óptico rotatorio está fabricado con un metamaterial.

6. Método según la reivindicación 1, donde el elemento con poder óptico rotatorio es una célula de cristal líquido.

7. Método según cualquier reivindicación anterior, donde polarizar la radiación comprende substancialmente variar continuamente el estado de polarización de la radiación polarizada.

8. Método según cualquier reivindicación anterior, que además comprende polarizar una porción de la radiación reflejada y/o transmitida y/o dispersada por la muestra.

9. Método según la reivindicación 8, donde polarizar la porción de la radiación reflejada y/o transmitida y/o dispersada por la muestra comprende variar continuamente el estado de polarización de la radiación polarizada.

10. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 -9, donde la radiación electromagnética es monocromática.

11. Método para determinar una pluralidad de elementos de una matriz de Mueller indicativa de parámetros ópticos de una muestra a analizar que comprende

llevar a cabo un método según cualquiera de las reivindicaciones1-9, donde el estado de polarización es rotado antes de interaccionar la radiación con la muestra haciendo pasar la radiación a través de un elemento con poder óptico rotatorio, y

llevar a cabo un método según cualquiera de las reivindicaciones1-9, donde el estado de polarización es rotado después de interaccionar la radiación con la muestra haciendo pasar la radiación a través de un elemento con poder óptico rotatorio, y

llevar a cabo un método según cualquiera de las reivindicaciones1-9, donde el estado de polarización es rotado antes y después de interaccionar la radiación con la muestra haciendo pasar la radiación a través de un elemento con poder óptico rotatorio, y

llevar a cabo un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 -9, donde sin embargo, el estado de polarización no es rotado por un elemento con poder óptico rotatorio ni antes ni después de interaccionar la radiación con la muestra.

12. Método para determinar una pluralidad de parámetros ópticos de una muestra a analizar que comprende la repetición de un método según cualquiera de las reivindicaciones 1-11 para diferentes longitudes de onda.

13. Método para determinar una pluralidad de parámetros ópticos de una muestra a analizar que comprende la repetición de un método según cualquiera de las reivindicaciones1-11en diferentes partes de la muestra.

14. Sistema para determinar una pluralidad de elementos de una matriz de Mueller indicativa de uno o más parámetros ópticos de una muestra a analizar, que comprende

una fuente para generar radiación electromagnética, un primer sistema polarizador para polarizar la radiación y un detector para recoger al menos una porción de la radiación reflejada y/o transmitida y/o dispersada por la muestra y para detectar la intensidad de la radiación recogida, que además comprende

un primer elemento con poder óptico rotatorio para rotar el estado de polarización y primeros medios para posicionar selectivamente o quitar el citado elemento con poder óptico rotatorio en un trayecto recorrido por la radiación electromagnética entre el sistema polarizador y el detector.

15. Sistema según la reivindicación 14, donde la fuente está adaptada para generar substancialmente radiación monocromática.

16. Sistema según la reivindicación 14, que además comprende un monocromador para seleccionar una banda estrecha de longitudes de onda de la radiación.

17. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 14-16, que además comprende un segundo sistema polarizador para polarizar al menos una porción de la radiación que es reflejada y/o transmitida y/o dispersada por la muestra a analizar.

18. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 14-17, que además comprende un segundo elemento con poder óptico rotatorio y segundos medios para posicionar selectivamente y quitar el segundo elemento con poder óptico rotatorio en un trayecto recorrido por la radiación electromagnética entre el primer sistema polarizador y el detector.

19. Sistema según la reivindicación 18, donde el primer elemento con poder óptico rotatorio puede ser posicionado selectivamente y quitado en un trayecto de iluminación que se extiende entre el primer sistema polarizador y la muestra a analizar, y donde

el segundo elemento con poder óptico rotatorio puede ser posicionado selectivamente y quitado en el trayecto de recogida entre la muestra a analizar y el detector.

20. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 14-19, donde el primer sistema polarizador comprende un primer polarizador lineal y un primer modulador.

21. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 17-20, donde el segundo sistema polarizador comprende un segundo polarizador lineal y un segundo modulador.

22. Sistema según las reivindicaciones 20 o 21, donde el primer y/o segundo modulador es un modulador fotoelástico.

23. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 14-22, donde el primer elemento y/o el segundo elemento con poder óptico es una lámina de un cristal ópticamente activo, teniendo la lámina su eje óptico perpendicular a las caras de la lámina.

24. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 14-23, donde el detector comprende un tubo fotomultiplicador.

25. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 14-23, donde el detector comprende un fotodiodo.

26. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 14-23, donde el detector comprende un sensor CCD.

27. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 14-26, donde los primeros medios para posicionar selectivamente y quitar el primer elemento con poder óptico rotatorio y/o los segundos medios para posicionar selectivamente y quitar el segundo elemento con poder rotatorio comprende una rueda de filtros.

28. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 14-27, que además comprende un soporte móvil para posicionar la muestra a analizar.

29. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 14-28, donde el monocromador está dispuesto con la fuente para generar radiación electromagnética.

30. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 14-29, que además comprende una lente y/o un espejo para focalizar la radiación electromagnética en la muestra y opcionalmente volver a colimar la radiación reflejada y/o transmitida y/o dispersada después de la muestra.

31. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 14-30, que además comprende medios para dirigir la radiación hacia la muestra.

32. Uso de un elemento con poder óptico rotatorio para cambiar el ángulo de acimut del estado de polarización en un método o sistema para determinar una pluralidad de elementos de una matriz de Mueller.

33. Uso según la reivindicación 32, donde el método o sistema para determinar una pluralidad de elementos de una matriz de Mueller está basado substancialmente en radiación monocromática.

34. Uso según la reivindicación 32 o 33, donde el elemento con poder óptico rotatorio es una lámina de un cristal ópticamente activo.

35. Uso según la reivindicación 34, donde el cristal ópticamente activo es cuarzo y tiene su eje óptico perpendicular a las caras de la lámina.

36. Uso según la reivindicación 35, donde la lámina tiene un espesor substancialmente entre 0.1 mmy2mm.

37. Uso según la reivindicación 32 o 33, donde el elemento con poder óptico rotatorio está fabricado con un metamaterial.

38. Uso según la reivindicación 32 o 33, donde el elemento con poder óptico rotatorio es una célula de cristal líquido.

39. Uso según cualquiera de las reivindicacione.

32. 38 en un polarímetro o elipsómetro.