Die Erfindung betrifft ein Referenzinterferometer zur Bestimmung einer optischen Weglängenänderung, insbesondere einer relativen optischen Weglängenänderung in Interferometerarmen, umfassend einen Strahlteiler und eine Laserlichtquelle.

Weiter betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen Re ferenzinterferometers .

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Interferometer mit einem solchen Referenzinterferometer sowie ein Spektrometer, insbeson dere ein Nah-Infrarot-Spektrometer, mit einem derartigen Inter ferometer .

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer optischen Weglängenänderung, insbesondere einer relativen opti schen Weglängenänderung in Interferometerarmen, wobei von einer Laserlichtquelle ein Lichtstrahl, insbesondere ein Referenz strahl auf einen Strahlteiler gestrahlt wird.

Zweistrahlinterferometer, wie sie beispielsweise in Fourier- Transformationsspektrometern eingesetzt werden, benötigen in der Regel ein Referenzinterferometer zur Messung eines Weglängenun terschieds von zwei Lichtstrahlen in den Interferometerarmen.

In US2011/0043819 ist ein Laser-Messinterferometer gezeigt, wel ches auf Laserstrahl-Interferenz beruht. Ein Mess- Interferomenter generiert Messresultate, welche die Verschiebung eines beweglichen Elements wiedergeben; und ein Korrekturinter ferometer generiert Messresultate, welche die Änderung des Bre chungsindex der Luft in einem konstanten Referenz-Intervall, an geben. Eine Rechnereinheit berechnet gestützt darauf den Ziel- wert für die Verschiebung des beweglichen Elements, um die Ände rung im Brechungsindex zu kompensieren.

Zur Messung der relativen optischen Weglängenänderung wird oft mals eine sogenannte Quadraturdetektion verwendet, um neben ei nem Betrag der optischen Weglängenänderung in den Interferome terarmen auch deren Vorzeichen erfassen zu können. Quadraturde tektion wird in vielen kommerziell erhältlichen Zweistrahlinter ferometern verwendet. Hierfür werden zwei Referenzinterferometer realisiert, wobei sich ein optischer Weglängenunterschied in beiden Interferometerarmen um etwa l/4 ergibt. Die Messung von beiden Interferenzsignalen erlaubt neben einer Bestimmung des Betrages der optischen Weglängenänderung zusätzlich auch die Be stimmung des Vorzeichens derselben. Eine Quadraturdetektion kann beispielsweise durch zwei räumlich getrennte Interferometer rea lisiert werden.

Eine andere Realisierungsmöglichkeit ist ein Einbringen eines l/4-Plättchens in einen Referenzlaserstrahl in einem Interferome terarm, wodurch sich ein passender optischer Weglängenunter schied für s- und p-polarisiertes bzw. senkrecht und parallel polarisiertes Licht ergibt. Eine Detektion der Laserstrahlen er folgt dann über einen Polarisationsstrahlteiler und zwei Detek toren .

Da es sich schwierig gestaltet, eine einfache Quadraturdetektion insbesondere in einem monolithischen Interferometeraufbau zu re alisieren, insbesondere ein retardierendes Element wie ein l/4- Plättchen in einem Arm des Interferometers zu integrieren, wurde bereits ein Interferometeraufbau vorgeschlagen, der monolithisch ist und mit dem eine optische Weglängenänderung dennoch einfach und effizient bestimmbar ist. Ein solcher Aufbau wird in der An meldung EP17205704.4 offenbart. Die Lehre der Anmeldung EP17205704.4 wird hiermit durch Bezug nahme in die vorliegende Beschreibung eingeschlossen.

EP17205704.4 zeichnet sich dadurch aus, dass die Phasenverschie bung zwischen den s- und p-polarisierten Anteilen des Referenz strahls nicht durch ein l/4-Plättchen realisiert wird, sondern durch Umlenken des Strahls auf eine mit HfCg beschichtete Ober- resp. Unterseite des Referenzinterferometers. An einer Grenzflä che zwischen der Hafniumdioxid-Schicht und der Luft findet To talreflexion statt, welche mit einer bestimmten Phasenverschie bung zwischen senkrecht und parallel polarisiertem (s- und p- polarisiertem) Licht einhergeht.

Auch diese Ausführungsform weist jedoch weiterhin Nachteile auf. Der Referenzstrahl bzw. beide Teile des geteilten Referenz strahls sollen via eine Ober- bzw. Unterseite des Interferome ters auf die Spiegelfläche der Interferometer-Arme gelenkt wer den. Deshalb können die zugehörigen Lichtquellen nicht in der Ebene, welche durch die optischen Achsen des einfallenden bzw. aus dem Interferometer austretenden Nutzstrahls aufgespannt wird, ausgerichtet werden. Da der Lichtstrahl auf die Ober- resp. Unterseite des Strahlteilers gelenkt werden soll, wird die die Lichtquelle schräg ausgerichtet, so dass die Ausbreitungs richtung des austretenden Lichtstrahls nicht direkt auf ein Spiegelelement zuläuft, sondern hinsichtlich des Nutzstrahls verkippt ist. Dadurch ergibt sich ein höherer Aufwand zur Aus richtung des Referenzstrahls und erhöhter Platzbedarf beim Auf bau der Apparatur.

Es ist daher das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Referenz interferometer vorzuschlagen, welches die oben genannten Nach teile überwindet. Insbesondere soll ein noch kompakteres und ro busteres Referenzinterferometer erhältlich gemacht werden. Weiter ist es ein Ziel, eine Verwendung eines solchen Referenz interferometers anzugeben.

Ein weiteres Ziel ist es, ein Interferometer mit einem solchen Referenzinterferometer sowie ein Spektrometer mit einem derarti gen Interferometer anzugeben.

Ferner ist es ein Ziel, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem eine optische Weglängenänderung einfach und effizient bestimmt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass bei einem Referenzinterferometer zur Bestimmung einer optischen Weglän genänderung, insbesondere einer relativen optischen Weglängenän derung in Interferometerarmen, der eingangs genannten Art der Strahlteiler derart ausgebildet ist, dass ein Lichtstrahl der Laserlichtquelle mittels totaler interner Reflexion über eine erste Seitenfläche, insbesondere eine Oberseite, und eine zweite Seitenfläche, insbesondere eine Unterseite, des Strahlteilers führbar ist und dass dem Strahlteiler im Strahlengang ein Prisma vorgelagert ist, mit welchem der auf das Prisma treffende Licht strahl umgelenkt werden kann, und/oder dadurch gekennzeichnet, dass dem Strahlteiler im Strahlengang ein Prisma nachgelagert ist, mit welchem der aus dem Strahlteiler austretende Licht strahl umgelenkt werden kann. Dabei liegt die zweite Seitenflä che der ersten Seitenfläche insbesondere parallel gegenüber, beispielsweise bilden die erste und die zweite Seitenfläche in einem Strahlteilerprisma gegenüberliegende Seitenflächen.

Bevorzugt ist das dem Strahlteiler im Strahlengang vorgelagerte Prisma vom Referenzinterferometer umfasst, bildet also einen in tegralen Bestandteil desselben. Alternativ/zusätzlich ist das dem Strahlteiler im Strahlengang nachgelagert Prisma vom Refe renzinterferometer umfasst, bildet also einen integralen Be standteil desselben.

Ein mit der Erfindung erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass durch die interne Totalreflexion an einer Grenz fläche eine Phasenverschiebung zwischen x- und y-polarisiertem bzw. senkrecht (s-) und parallel (p-) polarisiertem Licht ent steht, wobei die Phasenverschiebung von einer Brechzahl des Strahlteilers und einem Auftreffwinkel des Lichtstrahles ab hängt. Dabei muss der Auftreffwinkel nicht zwingend durch eine Positionierung der Lichtquelle und/oder des Detektors schräg zur xz-Ebene bewirkt werden, sondern er kann durch den gezielten Einsatz von Prismen platzsparend und präzise eingestellt werden.

Ein Referenzinterferometer umfassend das dem Strahlteiler im Strahlengang vorgelagerte Prisma und/oder das dem Strahlteiler im Strahlengang nachgelagerten Prisma erweist sich als kompakt. Wenn das Referenzinterferometer in ein Interferometer integriert ist, in welchem ein Nutzstrahl über die gleichen Spiegelelemente - jedoch nicht über die Seitenflächen des Strahlteilers - ge führt wird, ergeben sich weitere Vorteile hinsichtlich Kostenef fizienz und Präzision. Weitere Ausführungen werden nachstehend im Detail beschrieben.

Der Einsatz von Prismen hat den Vorteil, dass der Einfallswinkel des Lichtstrahls der Referenzlichtquelle auf den Strahlteiler frei gewählt und bei Bedarf auch angepasst werden kann, ohne dass dafür die Ausrichtung der Lichtquelle und/oder des wenigs tens einen Detektors und/oder Polarisationsstrahlteilers geän dert werden müsste. Für die detaillierte Beschreibung der Erfindung gelten die nach folgenden Definitionen:

Die zentrale z-Achse ist die Flächennormale zur Spiegelfläche eines ersten Spiegelelements, insbesondere durch deren Mitte, in einem ersten Interferometerarm. Bevorzugt ist der erste Interfe rometerarm Teil eines Interferometers mit Michelson-Aufbau; die zentrale z-Achse entspricht dann der Flächennormalen zur Spie gelfläche eines ersten Spiegelelements an der Stirnseite des In terferometerarms, in welchem der die Strahlteilerschicht traver- sierende Strahl sich ausbreitet.

Die zentrale x-Achse ist die Flächennormale zur Spiegelfläche eines zweiten Spiegelelements, insbesondere durch deren Mitte, in einem zweiten Interferometerarm. Bevorzugt ist der zweite In terferometerarm Teil eines Referenzinterferometers mit Michel son-Aufbau; die zentrale x-Achse entspricht dann der Flächennor malen zur Spiegelfläche eines zweiten Spiegelelements an der Stirnseite des Interferometerarms, in welchem der an der Strahl teilerschicht reflektierte Strahl sich ausbreitet.

Die y-Achse steht senkrecht zur Ebene, welche durch die zentrale z-Achse und die zentrale x-Achse aufgespannt wird.

Es wird als erste Seitenfläche des Strahlteilers verstanden: Ei ne ebene Fläche, die wenigstens abschnittsweise parallel zur zentralen z-Achse verläuft und den ersten Interferometerarm so seitlich begrenzt, oder eine ebene Fläche, die wenigstens ab schnittsweise parallel zur zentralen x-Achse verläuft und den zweiten Interferometerarm so seitlich begrenzt, insbesondere im Interferometer mit Michelson-Aufbau. Die erste Seitenfläche im ersten Interferometerarm und die erste Seitenfläche im zweiten Interferometerarm fallen bevorzugt zu sammen, indem sie auf einer gemeinsamen Ebene liegen, welche pa rallel ist zur Ebene, die durch die zentrale z-Achse und die zentrale x-Achse aufgespannt wird. Solche zusammenfallende erste Seitenflächen des ersten und zweiten Interferometerarms werden als Oberseite bezeichnet.

Bevorzugt fallen die zweite Seitenfläche im ersten Interferome terarm und die zweite Seitenfläche im zweiten Interferometerarm zusammen, indem sie auf einer gemeinsamen Ebene liegen, welche parallel ist zur Ebene, die durch die zentrale z-Achse und die zentrale x-Achse aufgespannt wird, und welche Ebene der Obersei te gegenüberliegt; die gemeinsame Ebene der zweiten Seitenflä chen des ersten und zweiten Interferometerarms, gegenüberliegend der Oberseite wird als Unterseite bezeichnet.

Wenigstens eines der Spiegelelemente ist beweglich verstellbar. Das erste Spiegelelement kann entlang der zentralen z-Achse, das zweite Spiegelelement kann entlang der zentralen x-Achse beweg bar sein. Die Ausrichtung der Spiegelflächen erfährt aber keine Rippung. Auch werden die Spiegelelemente nicht verschoben in ei ner anderen Richtung als der z-Richtung für das erste Spie gelelement oder in einer anderen als der x-Richtung für das zweite Spiegelelement. Die zentrale z-Achse und die zentrale x- Achse schneiden sich im Referenzinterferometer mit Michelson- Aufbau stets an der Strahlteilerschicht .

Bevorzugt ist das wenigstens eine Prisma so ausgebildet, dass ein im Wesentlichen auf der zentralen z-Achse oder parallel zur zentralen z-Achse auf den Strahlteiler zulaufender Lichtstrahl gebrochen und schräg auf eine erste Seitenfläche des Strahltei lers, insbesondere eine Oberseite, geführt werden kann. Beson- ders bevorzugt ist also die Ausrichtung der optischen Achse der Referenzlichtquelle auf der zentralen z-Achse oder parallel zur zentralen z-Achse. Insbesondere wenn ein Michelson- Interferometeraufbau gewählt wird, steht die optische Achse der Referenzlichtquelle senkrecht auf der Ebene eines ersten Spie gelelements an der Stirnseite eines ersten Interferometerarms. Dadurch ist ein besonders einfaches und robustes Referenzinter ferometer erhältlich, welches darüber hinaus mit relativ wenig Aufwand produziert werden kann. Die Strahlausbreitung im Refe renzinterferometer unmittelbar nach der Lichtquelle erfolgt in dieser bevorzugten Ausführung auf der zentralen z-Achse. Dies macht die Herstellung des Interferometers einfach, präzis und günstig .

Durch ein dem Strahlteiler vorgelagertes Prisma, insbesondere durch Verwendung eines Strahlteilers mit vorgelagertem Prisma, wird der Strahl sodann gebrochen und schräg von der z-Achse weg gelenkt, um in dem gewünschten Einfallswinkel auf die beschich tete oder unbeschichtete Seitenfläche des Strahlteilers zu tref fen. Dadurch kann eine einfache und kompakte Bauweise realisiert werden und der Lichtstrahl trifft in einem für die totale inter ne Reflexion geeigneten Winkel auf die Seitenfläche. Bei Bedarf kann der Brechungswinkel durch Austauschen des Prismas einfach und rasch geändert werden.

Das erste Prisma kann an den Strahlteiler geklebt, gekittet oder auf andere Weise vor dem Strahlteiler angeordnet oder befestigt werden. Das Prisma kann einstückig mit dem Strahlteiler ausge bildet sein. Der Effekt der Lichtbrechung kann auch dadurch er zielt werden, dass die Fläche, durch welche der Strahl in den Strahlteiler eintritt, so ausgebildet ist, dass sie zur opti schen Achse des Referenzlichtstrahls in einem anderen als einem 90° Winkel steht. In diesem Fall ist unter dem Begriff Prisma der Teilbereich des Strahlteilers mit der abgeschrägten Fläche zu verstehen. Besonders bevorzugt wird ein gerades dreiseitiges Prisma oder ein gerades Prisma mit trapezoidaler Grundfläche verwendet. Das gerade dreiseitige Prisma kann so ausgerichtet werden, dass der Lichtstrahl auf eine erste Seitenfläche des Strahlteilers , insbesondere eine Oberseite, lenkbar ist. Bevor zugt werden für das Prisma Materialien gewählt, die hinreichend transparent für die Wellenlänge des Referenzlichtstrahls sind, beispielsweise kann das Prisma aus synthetischem Quarzglas ge fertigt sein.

Zusätzlich oder alternativ zum Prisma, welches im Strahlengang dem Strahlteiler vorgelagert ist, kann ein Prisma im Strahlen gang dem Strahlteiler nachgelagert sein. Bevorzugt wird ein Strahlteiler umfassend das nachgelagerte Prisma verwendet. Be vorzugt ist ein nachgelagertes Prisma so ausgebildet, dass ein schräg zur zentralen x-Achse vom Strahlteiler weglaufender

Lichtstrahl gebrochen und im Wesentlichen auf einen Verlauf auf der zentralen x-Achse oder parallel zur zentralen x-Achse ge führt werden kann. Insbesondere wenn ein Michelson- Interferometeraufbau gewählt wird, kann der Detektor so ausge richtet werden, dass die Normale zur Detektorfläche senkrecht auf der Ebene eines zweiten Spiegelelements an der Stirnseite eines zweiten Interferometerarms steht.

Denn der Referenzstrahl, welcher an einer ersten Seitenfläche des Strahlteilers , bevorzugt an der Oberseite, totalreflektiert wird und via ein erstes oder zweites Spiegelelement über eine zweite Seitenfläche des Strahlteilers , bevorzugt über die Unter seite, erneut totalreflektiert wird, verläuft beim Austritt aus dem Strahlteiler nicht entlang der zentralen x-Achse oder paral lel zur zentralen x-Achse. Um die Fläche des wenigstens einen Detektors für den Referenzstrahl dennoch parallel zur Seitenflä- che des Strahlteilers positionieren zu können, kann ein zweites Prisma eingesetzt werden. Durch das zweite Prisma kann der schräg zur zentralen x-Achse verlaufende Lichtstrahl so gebro chen werden, dass er nach Austritt aus dem Prisma auf der zent ralen x-Achse oder parallel zur zentralen x-Achse verläuft.

Dadurch kann eine einfache und kompakte Bauweise realisiert wer den und der Lichtstrahl kann dennoch lotrecht auf eine parallel zur zentralen z-Achse resp. parallel zur Seitenfläche des

Strahlteilers ausgerichtete Detektorfläche treffen. Bei Bedarf kann der Brechungswinkel durch Austauschen des Prismas einfach und rasch geändert werden.

Analog zum ersten Prisma kann auch das zweite Prisma an den Strahlteiler geklebt, gekittet oder auf andere Weise im Strah lengang nach dem Strahlteiler angeordnet oder befestigt werden. Das Prisma kann einstückig mit dem Strahlteiler ausgebildet sein. Der Effekt der Lichtbrechung kann auch dadurch erzielt werden, dass die Fläche, durch welche der Strahl aus dem Strahl teiler austritt, so ausgebildet ist, dass sie zur optischen Ach se des Lichtsstrahls in einem anderen als einem 90° Winkel steht. In diesem Fall ist unter dem Begriff Prisma der Teilbe reich des Strahlteilers mit der abgeschrägten Fläche zu verste hen. Es kann ein einzelnes oder mehrere Prismen eingesetzt wer den. Besonders bevorzugt ist ein gerades dreiseitiges Prisma o- der ein gerades Prisma mit trapezoidaler Grundfläche. Das gerade dreiseitige Prisma kann so ausgerichtet werden, dass der von ei ner zweiten Seitenfläche des Strahlteilers her, insbesondere von einer Unterseite (62) her, eintretende Lichtstrahl gebrochen wird. Bevorzugte Materialien sind hinreichend transparent für die Wellenlänge der Referenzlichtquelle. Das Prisma kann zum Beispiel aus synthetischem Quarzglas gefertigt sein. Bevorzugterweise ist das wenigstens eine Prisma mit einer Anti reflexbeschichtung versehen, welche angepasst ist auf die Wel lenlänge der Referenzlichtquelle.

Der Lichtstrahl ist insbesondere als Laserlichtstrahl ausgebil det, welcher von der Laserlichtquelle emittiert wird.

Günstig ist es, wenn zumindest die erste Seitenfläche und/oder die zweite Seitenfläche, insbesondere die Oberseite und/oder die Unterseite, des Strahlteilers , insbesondere teilweise, mit einer Beschichtung beschichtet ist/sind. Es könnten auch Ober- oder Unterseiten je oder gemeinsam vollständig mit demselben Material beschichtet sein. Eine Beschichtung, die günstig ist für eine totale interne Reflexion, welche mit einer bestimmten Phasenver schiebung zwischen senkrecht und parallel polarisiertem (s- und p-polarisiertem) Licht einhergeht, wird im folgenden Retarder schicht genannt. Eine Retarderschicht kann bevorzugt an einer Seitenfläche des Strahlteilers , bevorzugt an einer Ober- oder Unterseite des Strahlteilers angebracht werden. Die Retarder funktion auf einem Interferometerarm wird nur dann erzielt, wenn die Beschichtungen sich unterscheiden in entweder Brechzahl oder Dicke. Durch gezielte Wahl von Brechzahl und Dicke der Beschich tung kann bei gegebenem Auftreffwinkel des Lichtstrahls der La serlichtquelle eine gewünschte Phasenverschiebung zwischen s- und p-polarisiertem Licht erzielt werden.

Es ist bevorzugt, dass die Beschichtung/Beschichtungen der Sei ten im ersten Interferometerarm im Vergleich zu der Beschich tung/den Beschichtungen im zweiten Interferometerarm unter schiedlich ausgebildet ist/sind. Insbesondere können die erste und zweite Seitenfläche im ersten Interferometerarm mit einer Retarderschicht, wie vorstehend beschrieben, beschichtet sein, während die erste und zweite Seitefläche im zweiten Interferome- terarm unbeschichtet sind, oder mit einer Beschichtung beschich tet sind, die für totale interne Reflexion günstig sind, ohne als Retarderschicht ausgebildet zu sein. Diese Asymmetrie der Beschichtung der Seitenflächen in den beiden Interferometerarmen kann auch erzielt werden, wenn die erste Seitenfläche im ersten Interferometerarm und die erste Seitenfläche im zweiten Interfe rometerarm zusammenfallen, indem sie z.B. auf einer gemeinsamen Oberseite eines Strahlteilerprismas liegen, und die zweite Sei tenfläche im ersten Interferometerarm und die zweite Seitenflä che im zweiten Interferometerarm zusammenfallen, indem sie z.B. auf einer gemeinsamen Unterseite eines Strahlteilerprismas lie gen. In diesem Fall können zum Beispiel die Oberseite und/oder die Unterseite des Strahlteilerprismas nur teilweise, etwa nur an Abschnitten der Seitenflächen, die dem ersten Interferometer arm zugerechnet werden, mit einer Retarderschicht beschichtet sein .

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Brechzahl und die Di cke der Beschichtung derart gewählt sind, dass bei einem mittels totaler interner Reflexion reflektierten Lichtstrahl der Laser lichtquelle eine Phasenverschiebung um l/4 ± n/10, vorzugsweise um n/2 ± n/20, zwischen s- und p-polarisierten totalreflektier ten Strahlen erzielbar ist. Somit ist ein im Stand der Technik verwendetes l/4-Plättchen nicht mehr notwendig. Der Strahlteiler ist mit einer einfachen Schicht geeigneter Brechzahl beschich tet, wodurch eine Grösse einer Phasenverschiebung kontrollierbar ist. Beispielsweise ist der Strahlteiler mit einer Hafniumdio xidschicht beschichtet, wobei die Hafniumdioxidschicht eine

Brechzahl von etwa 1,82 aufweist. Eine Phasenverschiebung von l/4 ist beispielsweise mit einer Schichtdicke von etwa 60 nm

und/oder etwa 120 nm bei einer Laserwellenlänge von 638 nm er reichbar. Durch eine Anpassung der Schichtdicke und/oder eines Schichtmaterials kann nahezu jede erwünschte Phasenverschiebung für beliebige Substratmaterialien, Einfallswinkel und Laserwel lenlänge erreicht werden, was zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten eines erfindungsgemässen Referenzinterferometers eröffnet.

Weitere mögliche Beschichtungsmaterialien sind Indium-Zinn-Oxid, Titandioxid, Nb2Ü ₃ , Ta2Ü ₃ , Zr0 ₂ , SC2O ₃ , Y2O ₃ , sowie Mischoxide der genannten Oxide untereinander und/oder mit Si0 ₂ -

Es ist vorteilhaft, wenn der Strahlteiler als Parallelepiped, insbesondere als gerades Vierecksprisma, vorzugsweise als Würfel oder Quader ausgebildet ist. Dadurch ist eine besonders einfache Realisierung des Referenzinterferometers gegeben bzw. möglich. Ein Strahlteilerquader kann beispielsweise 20 mm bis 30 mm mal 20 mm bis 30 mm mal 5 mm bis 10 mm, bevorzugt 22 mm bis 28 mm mal 22 mm bis 28 mm mal 6 mm bis 8 mm, insbesondere etwa 25 mm mal 25 mm mal 7 mm, gross sein.

Vorteilhaft ist es, wenn zumindest ein Detektor vorgesehen ist. Insbesondere kann es günstig sein, wenn eine Detektion des

Lichtstrahles der Laserlichtquelle als Referenzstrahl mit einem Polarisationsstrahlteiler und zwei Detektoren erfolgt. Bevorzugt sind zwei photoelektrische Detektoren zur Detektion von zwei durch einen Polarisationsstrahlteiler geteilte Teilstrahlen vor gesehen. Der zumindest eine Detektor kann insbesondere als

Strahlungsdetektor, vorzugsweise als eine Fotozelle, Fotodiode oder ein Fotomultiplier, ausgebildet sein.

Die Laserlichtquelle kann ein Diodenlaser, insbesondere ein Dis- tributed Feedback Laser (DFB-Laser) , ein Distributed Bragg Re- flector Laser (DBR-Laser) oder ein Vertical Cavity Surface- Emitting Laser (VCSEL) sein. Dabei handelt es sich um bevorzugte Laserlichtquellen, die sich gegenüber einem herkömmlichen Laser, bspw. einem HeNe-Laser (Helium-Neon), durch eine kompakte Bau- weise, einen niedrigen Energieverbrauch und eine hohe Stabilität der Wellenlänge gegen Temperaturvariationen auszeichnen.

Unter einem Distributed Feedback Laser (DFB-Laser) wird im vor liegenden Zusammenhang eine Laserdiode verstanden, deren aktives Medium derart strukturiert ist, dass der Brechungsindex entlang der optischen Achse periodisch variiert.

Unter Distributed Bragg Reflector Lasern (DBR-Lasern) werden im vorliegenden Zusammenhang Laserdioden verstanden, deren aktives Medium an einem Ende durch einen Bragg-Spiegel (engl. Distribu ted Bragg Reflector, DBR) begrenzt ist und bei dem am anderen Ende ein herkömmlicher Auskoppelspiegel angebracht ist.

Unter Oberflächenemitter-Laserdioden (engl.: vertical-cavity surface-emitting laser; VCSEL) werden im vorliegenden Zusammen hang Laserdioden verstanden, bei denen das Licht senkrecht zur Ebene des Halbleiterchips abgestrahlt wird. Der Laserresonator wird dabei durch zwei parallel zur Ebene des Wafer angeordnete Bragg-Spiegel gebildet, zwischen denen das Lasermedium eingebet tet ist.

Allerdings kann es sich bei der Laserlichtquelle auch um einen Diodenlaser anderer Bauart handeln. Je nach Art des Diodenlasers kann es vorteilhaft sein, wenn die Wellenlänge des von diesem bereitgestellten Lichtes durch ein bandenbegrenzendes Element, insbesondere durch ein Volumen-Bragg-Gitter (VBG) stabilisiert ist. Dies verleiht der Laserlichtquelle insbesondere eine höhere Stabilität der Laserwellenlänge gegen Temperaturvariationen.

Ein Aspekt der Anmeldung bezieht sich auf eine Verwendung eines erfindungsgemässen Referenzinterferometers zur Überprüfung einer optischen Weglängenänderung in Interferometerarmen. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus ein Interfero meter mit einem oben beschriebenen Referenzinterferometer zur Überprüfung einer optischen Weglängenänderung in Interferometer armen, insbesondere umfassend eine Lichtquelle für einen Nutz strahl und mehrere optische Elemente. Bei bestimmungsgemässem Betrieb sind ein Nutzstrahl und ein Lichtstrahl der Laserlicht quelle durch denselben Strahlteiler führbar, wobei der Licht strahl der Laserlichtquelle einen Referenzstrahl darstellt.

Das erfindungsgemässe Interferometer ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Strahlteiler im Strahlengang wenigstens ein Prisma vor gelagert ist, mit welchem der im wesentlichen parallel zum Nutz strahl auf den Strahlteiler zulaufende Referenzstrahl umgelenkt werden kann; und/oder dem Strahlteiler im Strahlengang wenigs tens ein Prisma nachgelagert ist, mit welchem der schräg zum Nutzstrahl vom Strahlteiler weg sich ausbreitende Referenzstrahl gebrochen werden kann, sodass der Nutzstrahl und der Referenz strahl im wesentlichen parallel zueinander vom Interferometer weglaufen .

Insbesondere umfasst das Interferometer wenigstens ein Prisma, welches dem Strahlteiler im Strahlengang vorgelagert ist, und/oder wenigstens ein Prisma, welches dem Strahlteiler im Strahlengang nachgelagert ist.

Ein damit erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass eine Quadraturdetektion im Interferometer besonders einfach möglich ist, wenn der Nutzstrahl und der Referenzlichtstrahl durch denselben Strahlteiler geführt werden. Das Interferometer erweist sich auch als besonders präzise. Der Referenzstrahl ist über interne Totalreflexion an einer Oberseite und Unterseite des Strahlteilers geführt. Diese Geometrie erlaubt eine beson ders einfache und kompakte Bauweise des Interferometers.

Die Lichtquellen sind so positioniert, dass der Nutzstrahl und der Referenzstrahl im Wesentlichen parallel zueinander auf das Interferometer zulaufen und/oder ein im Strahlengang nachgela gertes Prisma so positioniert ist, dass der Nutzstrahl und der Referenzstrahl im Wesentlichen parallel zueinander vom Interfe rometer weglaufen. Der Strahlengang des Nutzstrahls bzw. des ersten und zweiten Teils des Nutzstrahls verläuft dabei bevor zugt auf der zentralen x-Achse und der zentralen z-Achse.

Unter bestimmungsgemässem Betrieb wird vorliegend verstanden, dass ein Nutzstrahl und ein Referenzstrahl einer Laserlichtquel le durch denselben Strahlteiler führbar sind. Bevorzugt breiten sich bei bestimmungsgemässem Betrieb Nutz- und Referenzstrahl parallel zueinander in Richtung des Interferometers mit Prisma aus. Der Referenzstrahl wird vor dem Auftreffen auf die Strahl teilerschicht durch das dem Strahlteiler im Strahlengang vorge lagerte Prisma gebrochen. Zusätzlich oder alternativ breiten sich beim bestimmungsgemässem Betrieb Nutz- und Referenzstrahlt nach Verlassen des Interferomters mit Prisma wieder parallel zu einander aus. Hierzu wird der Referenzstrahl nach Verlassen der Strahlteilerschicht durch das dem Strahlteiler im Strahlengang nachgelagertes Prisma gebrochen. Innerhalb des Interferometers mit Prisma / mit Prismen breiten sich Nutz- und Referenzstrahl bei bestimmungsgemässem Betrieb nicht parallel zueinander aus.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Referenzstrahl pa rallel versetzt zum Nutzstrahl, insbesondere oberhalb oder un terhalb des Nutzstrahls auf das Prisma, auf den Strahlteiler und von da aus auf die erste Seitenfläche des Strahlteiler, insbe sondere die Ober - respektive Unterseite des Strahlteilers , ge- lenkt, sodass die Strahlen auf den im Wesentlichen gleichen Be reich wie der Nutzstrahl auf das Spiegelelement auftreffen. Dies hat den Vorteil, dass die Strahlen auf den Spiegeln des Interfe rometers auf überlappende Flächen fallen. Bevorzugt befindet sich der überlappende Bereich der Einfallsflächen der beiden Strahlen im Zentrum der Spiegelfläche des Spiegelelements.

Dadurch ergibt sich eine optimale Genauigkeit des Aufbaus. Denn durch die (praktisch kaum vollständig vermeidbare) dynamische Spiegeldeformation beim Interferometerbetrieb ergeben sich Ände rungen auf die Strahlenführung, welche sich aber in der bevor zugten Ausführungsform gleichermassen auf den Nutz- und den Re ferenzstrahl auswirken. Dadurch wird eine optimale Referenzie- rung der optischen Weglängenunterschiede ermöglicht.

Das erfindungsgemässe Interferometer ermöglicht also eine ge trennte Führung von Nutz- und Referenzstrahl beim Eintritt in und beim Austritt aus dem Strahlteiler und gleichzeitig ein Zu sammenführen der Strahlen auf den überlappenden Flächen der je weiligen Spiegelelemente. Damit wird den Anliegen der Kompakt heit, Präzision und Kosteneffizienz Rechnung getragen.

Günstig ist es, wenn das Interferometer als Zweistrahlinterfero meter ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist dieses Teil eines Fourier-Transformationsspektrometers, insbesondere als monoli thisches Michelson-Interferometer ausgebildet.

Zweckmässig ist es, wenn das Referenzinterferometer zur Quadra turdetektion ausgebildet ist, um eine relative optische Weglän genänderung in den Interferometerarmen des Interferometers zu messen Bevorzugt ist ein Interferometer wie vorstehend beschrieben, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittsort des Referenz strahls in das dem Strahlteiler vorgelagerte Prisma und/oder der Eintrittsort des Nutzstrahls in den Strahlteiler mit Antireflex beschichtungen versehen sind; bevorzugt ist die Antireflexbe schichtung am Eintrittsort des Referenzstrahls in das dem

Strahlteiler vorgelagerte Prisma an die Wellenlänge des Refe renzstrahls angepasst und es ist die Antireflexbeschichtung am Eintrittsort des Nutzstrahls in den Strahlteiler an den Wellen längenbereich des Nutzstrahls angepasst. Eine teure Antireflex beschichtung, welche sowohl das Spektrum des Nutz- als auch das jenige des Referenzstrahls abdeckt, ist nicht notwendig.

Es ist ein Vorteil eines in das Nutzinterferometer integrierten und erfindungsgemässen Referenzinterferometers, dass der Nutz strahl und der Referenzstrahl parallel aber räumlich versetzt auf den Strahlteiler einfallen können. Die Parallelität erlaubt besonders optimale Vergleichbarkeit der Eigenschaften der beiden Strahlen, welche gleichzeitig über überlappende Flächen der gleichen Spiegelelemente geführt werden. Die räumliche Verset zung beim Eintritt in den Strahlteiler kann aber dank dem erfin- dungsgemässen Aufbau dennoch so gross gewählt werden kann, dass kostengünstigere Antireflexbeschichtungen, je angepasst an die Wellenlängen des Referenz- bzw. Nutzstrahls, verwendet werden können .

Bei einem kombinierten Nutzinterferometer und Referenzinterfero meter ist es bevorzugt, wenn das im Strahlengang des Referenz strahls befindliche Prisma oder die im Strahlengang des Refe renzstrahls befindlichen Prismen aus einem Material gefertigt sind, welche für die Wellenlänge des Referenzstrahls besonders gut durchlässige, für die Wellenlängen des Nutzstrahls aber un durchlässig sind. Dadurch kann eine unerwünschte Überlagerung des Referenzlichtstrahls mit Streulicht des Nutzstrahls vermie den werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus ein Spektrome ter, insbesondere Nah-Infrarot-Spektrometer, mit einem Interfe rometer wie oben beschrieben.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Be stimmung einer optischen Weglängenänderung, insbesondere einer relativen optischen Weglängenänderung in Interferometerarmen, wobei von einer Laserlichtquelle ein Lichtstrahl als Referenz strahl auf einen Strahlteiler gestrahlt wird, und mittels tota ler interner Reflexion über eine erste Seitenfläche, insbesonde re eine Oberseite, des Strahlteilers und eine zweite Seitenflä che, insbesondere eine Unterseite, des Strahlteilers geführt wird, dadurch gekennzeichnet dass der Lichtstrahl vor dem Ein tritt in den Strahlteiler über wenigstens ein erstes Prisma und/oder nach dem Austritt aus dem Strahlteiler durch wenigstens ein zweites Prisma geführt wird.

Es wird erreicht, dass bei einem Verfahren der genannten Art der Lichtstrahl der Laserlichtquelle als Referenzstrahl mittels to taler interner Reflexion über eine erste Seitenfläche, insbeson dere eine Oberseite, und eine zweite Seitenfläche, insbesondere eine Unterseite, des Strahlteilers geführt wird.

Ein damit erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass über die totale interne Reflexion bzw. interne Totalrefle xion an der ersten Seitenfläche und/oder der zweiten Seitenflä che, insbesondere einer Oberseite und/oder Unterseite, des

Strahlteilers eine optische Weglängenänderung des Nutzstrahles besonders einfach und effizient gemessen werden kann. Dies ist ein Effekt der Phasenverschiebung mittels totaler interner Re- flexion (statt mittels des üblichen Retarderplättchens) . Das In terferometer kann sehr kompakt (auch monolithisch) gebaut wer den, was Vorteile bringt hinsichtlich der mechanischen Robust heit. Der Vorteil wird durch die genaue, flexible und platzspa rende Strahlführung mittels vorgelagertem und/oder nachgelager tem Prisma noch verstärkt.

Es ist bevorzugt, dass in dem Verfahren wie vorstehend beschrie ben der Lichtstrahl sich in einem ersten Abschnitt des Strahlen gangs vor dem Eintritt in das erste Prisma auf der zentralen z- Achse oder parallel zur zentralen z-Achse ausbreitet; in einem mittleren Abschnitt des Strahlengangs schräg zur zentralen z- Achse ausbreitet; und/oder in einem dritten Abschnitt des Strah lengangs nach dem Austritt aus dem zweiten Prisma auf der zent ralen x-Achse oder parallel zur zentralen x-Achse geführt wird.

Der Ausdruck , schräg' meint dabei, dass die Ausbreitungsrichtung anders als parallel oder senkrecht zur jeweiligen Interferome terarm-Achse ist. Eine solche Strahlenführung erlaubt eine or thogonale Ausrichtung der wichtigsten optischen Elemente, insbe sondere Lichtquelle (n) , Strahlteiler, Interferometerarme, Spie gel und Detektor (en) und macht den Verfahrensaufbau präzise.

Günstig ist es, wenn eine Polarisation des Referenzstrahles ver ändert wird. Hierfür wird der Strahlteiler zumindest teilweise beschichtet, wobei wie oben beschrieben mithilfe einer einfachen Schicht geeigneter Brechzahl eine Grösse einer Phasenverschie bung kontrolliert wird.

Es ist bevorzugt, dass parallel zum Referenzstrahl ein Nutz strahl auf den Strahlteiler gelenkt wird. Insbesondere im Inter ferometer mit Michelson-Aufbau werden der Referenz- und der Nutzstrahl über die gleiche Strahlteilerschicht und die gleichen Spiegelelemente des Interferometers gelenkt. Der Nutzstrahl und der Referenzstrahl können sodann insbesondere parallel zueinan der aus dem Strahlteiler austreten. Dadurch wir die Messung der Referenzwellendifferenz besonders präzise, während der kompakte Verfahrensaufbau beibehalten werden kann.

Insbesondere bei einem als Quader oder Würfel ausgebildeten Strahlteiler ist es vorteilhaft, wenn der Referenzstrahl und der Nutzstrahl aus voneinander unterschiedlichen Winkeln auf die frontale Strahlteilerseitenfläche geführt werden. Insbesondere wird der Nutzstrahl mit einem Einfallswinkel von weniger als 7°, vorzugsweise weniger als 3°, bevorzugterweise weniger als 1°, zur Flächennormalen der frontalen Strahlteilerseitenfläche, durch welche die Strahlen eintreten, geführt. In einer bevorzug ten Ausführungsform wird der Nutzstrahl mit einem Einfallswinkel von 0° zur Flächennormalen der frontalen Strahlteilerseitenflä che, durch welche die Strahlen eintreten, geführt. Im Unter schied dazu wird die optische Achse des Referenzstrahls nach Durchlaufen des Prismas in einem schrägen Einfallswinkel auf die Strahlteilerseitenfläche, durch welche die Strahlen eintreten, geführt, beispielsweise mit einem Winkel von 30° bis 89°, vor zugsweise 50° bis 85°, bevorzugterweise 65° bis 80°, zur y- Achse. Je nach Ausführung ist allerdings auch ein Einfallswinkel von 65° bis 88°, vorzugsweise von 70° bis 83°, bevorzugterweise von 75° bis 78° zur y-Achse vorteilhaft. In einer besonders be vorzugten Ausführungsform wird der Referenzstrahl mit einem Ein fallswinkel von 76,5° zur y-Achse geführt.

Vorteilhaft ist es weiter, wenn der Referenzstrahl und der Nutz strahl von zumindest einem Detektor erfasst werden. Insbesondere sind zwei Detektoren vorgesehen, wobei der Referenzstrahl und der Nutzstrahl erfasst werden. Zudem kann es günstig sein, wenn für den als Referenzstrahl ausgebildeten Lichtstrahl ein Polari- sationsstrahlteiler vor dem Detektor angeordnet ist. In diesem Fall sind insgesamt zumindest drei Detektoren erforderlich.

Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen ergeben sich aus dem nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiel. In den Zeichnun gen, auf welche dabei Bezug genommen wird, zeigen:

Fig. la eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung zur

Quadraturdetektion;

Fig. lb Interferometer gemäss EP17205704.4 ;

Fig . 2 Schematische Darstellung eines erfindungsgemässen In terferometers bei bestimmungsgemässem Betrieb;

Fig . 3 Bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemässen In terferometers bei bestimmungsgemässem Betrieb im Grund riss;

Fig. 4 Alternative Ausführungsform eines erfindungsgemässen

Interferometers im Grundriss;

Fig . 5 Ansicht eines Strahlengangs in einem Interferometerarm im AA-Schnitt gern. Fig. 4, inkl . Referenzstrahl und Nutzstrahl ;

Fig . 6 Ansicht eines Strahlengangs in einem Referenzinterfero meterarm im BB-Schnitt gern. Fig. 4 mit Referenzstrahl, ohne Nutzstrahl;

Fig. 7 Schematische Darstellung eines Strahlengangs im erfin- dungsgemässen Interferometer im BB-Schnitt mit Refe renzstrahl und Nutzstrahl, inkl. Details zur Phasenver schiebung;

Fig. 8 Beispielhafte Darstellung der Phasen von s- und p- polarisiertem Licht eines Referenzstrahls in Abhängig keit der Schichtdicke der Retarderschicht;

Fig. 9 Darstellung einer Differenz zwischen einer Phasenver schiebung für unterschiedlich polarisiertes Licht, si mulierte Werte; Fig. 10 Darstellung einer Differenz zwischen einer Phasenver schiebung für unterschiedlich polarisiertes Licht, si mulierte Werte und Daten aus der experimentellen Veri fikation .

Fig. la zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrich tung zur Quadraturdetektion. Diese Vorrichtung umfasst ein Mi- chelson-Interferometer mit einem Referenzinterferometer für eine konventionelle Quadraturdetektion. Weiter umfasst die Vorrich tung eine Laserlichtquelle 4 sowie eine weitere Lichtquelle 9. Ein als Referenzstrahl ausgebildeter Lichtstrahl 5 und ein Nutz strahl 10 sind an der Position eines l/4-Plättchens 11 räumlich voneinander getrennt, wofür der Referenzstrahl verkippt ist. Die Vorrichtung umfasst weitere optische Elemente wie einen Strahl teiler 3, Spiegel 12, Detektoren 7', 7'', ein Kompensatorelement 31 und einen Polarisationsstrahlteiler 13. Um einen Wegunter schied daraus resultierend, dass der am Strahlteiler 3 reflek tierte Strahl den Strahlteiler 3 nicht durchquert, zu kompensie ren, weist die Vorrichtung ein Plättchen 31 auf, welches aus demselben Material und in derselben Dicke wie der Strahlteiler 3 ausgebildet ist. Das Retarderplättchen 11 ist so ausgerichtet, dass es aus dem einfallenden Referenzstrahl zwei orthogonale Po larisationen (s- und p-Polarisationen) erzeugt, die eine Pha sendifferenz zueinander haben. Vorzugsweise wird ein Retarder 11 so gewählt, dass eine Phasendifferenz von 90° (oder n/2) resul tiert .

In Fig. lb ist ein Interferometer 8 gemäss der in EP17205704.4 offenbarten Lehre gezeigt, bei bestimmungsgemässem Betrieb. Das Interferometer 8 ist als Michelson-Interferometer in monolithi scher Bauweise ausgebildet. Das Referenzinterferometer 1 umfasst eine in Fig. lb nicht dargestellte Laserlichtquelle, welche ei nen Lichtstrahl 5 emittiert. Darüber hinaus ist ein als Strahl- teilerquader ausgebildeter Strahlteiler 3 vorgesehen. Das Inter ferometer 8 umfasst weiter eine in Fig. lb nicht dargestellte Lichtquelle, welche einen Nutzstrahl 10 emittiert. Sowohl der Nutzstrahl 10 als auch der als Referenzstrahl ausgebildete

Lichtstrahl 5 werden durch den Strahlteiler 3 geführt. Der Refe renzstrahl kann mittels Spiegel 6 auf den Strahlteiler gelenkt sein. Wie beschrieben kann alternativ vorgesehen sein, dass die Laserlichtquelle an der Stelle des Spiegels 6 positioniert und gegenüber dem Nutzstrahl 10 verkippt ist. Weiter ist der Refe renzstrahl mittels interner Totalreflexion über eine Oberseite 61 und Unterseite 62 des Strahlteilers 3 geführt. Die Oberseite 61 und/oder Unterseite 62 des Strahlteilers 3 ist beispielsweise mit Hafniumdioxid beschichtet. Die Beschichtung des Strahltei lers ersetzt das l/4-Plättchen 11 einer bekannten Vorrichtung ge mäss Fig. la. Ferner umfasst das Interferometer 8 einen ersten Detektor 7 ' sowie einen zweiten Detektor 7 ' ' und einen Polarisa tionsstrahlteiler 13 zur Detektion des als Referenzstrahl ausge bildeten Lichtstrahles 5 und des Nutzstrahles 10. Dabei ist der Polarisationsstrahlteiler 13 vor dem ersten Detektor 7 ' angeord net ist, welcher zur Detektion des Referenzstrahles vorgesehen ist. Weiter kann es vorgesehen sein, dass Spiegel 12, insbeson dere bewegbare Spiegel 12, am Strahlteiler 3, insbesondere mit tels direkt am Strahlteiler 3 aufgeklebten Spiegelgehäusen, mon tiert sind. Die Spiegel 12 sind als Mikrosystemtechnikkomponen ten (MEMS-Komponenten) ausgebildet.

Der Phasenunterschied zwischen s- und p-polarisierten Referenz strahlen im gezeigten Interferometer wird durch die Totalrefle xion eines Teilstrahls an der Oberseite 61 und/oder an der Un terseite 62 des Strahlteilerkörpers erzeugt. Durch die Beschich tung der Ober- oder der Unterseite in einem Interferometerarm kann die Phasendifferenz eingestellt werden. Die Phasendifferenz ist abhängig von Brechungsindex und Dicke der Retarderschicht, vom Brechungsindex des Strahlteilerkörpermaterials , vom Ein fallswinkel auf die Retarderschicht sowie von der Wellenlänge der Referenzlichtquelle.

In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Interferome ters 8 mit erfindungsgemässer Strahlenführung gezeigt. Der

Strahlteiler 3 ist als Prisma realisiert. Es sind aber auch an dere Geometrien realisierbar. Der Referenzstrahl 5, 5' ist durch gepunktete Linien dargestellt. Der Nutzstrahl 10, 10' ist durch eine strichpunktierte Linie dargestellt. Das Interferometer um fasst ein erstes, dem Strahlteiler im Strahlengang vorgelagertes Prisma 16' und ein zweites, dem Strahlteiler im Strahlengang nachgelagertes Prisma 16''.

Es ist zu bemerken, dass in Figur 2 ein Interferometer (8) bei bestimmungsgemässem Betrieb gezeigt ist. D.h. es werden ein Re ferenzstrahl 5,5' und ein Nutzstrahl 10,10' durch denselben Strahlteiler 3 geführt. In einem ebenfalls erfindungsgemässen Referenzinterferometer würde bei bestimmungsgemässem Betrieb nur ein Referenzstrahl 5,5' durch den Strahlteiler 3 geführt.

Die optische Achse des Nutzstrahls 10 verläuft zunächst auf der zentralen z-Achse. Nach dem Teilen des Strahls 10 an der Strahl teilerschicht 19 verläuft die optische Achse eines ersten Teils des Nutzstrahls 10 in einem ersten Interferometerarm 2' des In terferometers weiter auf der zentralen z-Achse, d.h. auf der Flächennormalen zur Spiegelfläche eines ersten Spiegelelements 12' durch dessen Mitte 21'. Die optische Achse des zweiten Teils des Nutzstrahls 10 verläuft im zweiten Interferometerarm 2'' auf der zentralen x-Achse, d.h. auf der Flächennormalen zur Spiegel fläche eines zweiten Spiegelelements 12 durch dessen Mitte 21 " . Die optischen Achsen von Nutzstrahl 10 und Referenzstrahl 5 vor dem Einfall in das vorgelagerte Prisma 16' sind parallel. Durch die Lichtbrechung an der schrägen Eintrittsfläche respektive am vorgelagerten Prisma 16' wird der Referenzstrahl 5 gegen die Oberseite 61 des Strahlteilerkörpers hin gebrochen. Der Refe renzstrahl verläuft also im Strahlteiler 3 nicht mehr parallel zur x- oder zur z-Achse. Die Fläche 16' kann mit einer Antire flexbeschichtung für die Laserwellenlänge des Referenzstrahls versehen sein. Die darunterliegende Fläche, durch welche der Nutzstrahl in den Strahlteilkörper eintritt, kann mit einer An tireflexbeschichtung für den Wellenlängenbereich des Nutzstrahls versehen sein. Die an der Strahlteilerschicht gebildeten Teil strahlen des Referenzstrahls werden sowohl im ersten als auch im zweiten Interferometerarm an der gemeinsamen Seitenfläche, konk ret an der Oberseite 61, totalreflektiert und fallen sodann auf die Mitte 21' des Spiegels 12' im ersten Interferometerarm 2' respektive auf die Mitte 21'' des Spiegels 12'' im zweiten In terferometerarm 2 ' ' .

Die Einfallsstellen von Nutz- und Referenzstrahlen überlappen räumlich auf dem jeweiligen Mittelpunkt der Spiegel 12' und 12'', wodurch die optimale Referenzierung des Interferogramms sichergestellt wird.

Der Nutzstrahl 10' tritt nach dem zweiten Passieren der Strahl teilerschicht 19 auf der zentralen x-Achse aus dem Strahlteiler- körper 3 wieder aus .

Nach Totalreflexion an der Unterseite 62 des Strahlteilerkörpers 3 und nach Reflexion bzw. Transmission an der Strahlteilerfläche 19 verlassen die Referenzstrahlen den Strahlteilerkörper 3. Beim Austritt aus dem Strahlteilerkörper sind die optischen Achsen von Referenz- und Nutzstrahl noch nicht parallel. Der Referenz- strahl 5 ' wird daher durch das im Strahlengang nachgelagerte Prisma 16'' so gebrochen, dass er zum Nutzstrahl 10' und damit zur x-Achse parallel ausgerichtet wird.

Der Referenzstrahl 5 ' wird nach dem Austritt aus dem Strahl teilerkörper und Brechung an der Prismafläche 16'' durch einen polarisierenden Strahlteiler 13 in s- und p-polarisierte Teil strahlen aufgeteilt, welche je auf den Detektoren 7' bzw. 7'' detektiert werden.

In Fig. 3 ist ein Grundriss eines erfindungsgemässen Referenzin terferometers 1 gezeigt. Genauer zeigt Fig. 3 den Strahlengang eines Referenzstrahls 5, 5' durch einen Strahlteiler 3, an wel chem zwei bewegliche Spiegel 12', 12'' angeordnet sind. Der Strahlteiler 3, insbesondere wenigstens eine Seitenfläche des Strahlteilers 3, ist teilweise mit einer Hafniumdioxid-Schicht 14 beschichtet, welche eine Brechzahl von 1,82 bei der Laserwel lenlänge von 638 nm aufweist. Der Strahlteiler 3 selbst ist aus Quarzglas mit einer Brechzahl von 1,46 ausgebildet. Der Refe renzstrahl 5 tritt auf dem Bild von links in den Strahlteiler- körper ein, wird durch Prisma 16' gebrochen und wird an der Strahlteilerschicht in zwei Teilstrahlen aufgeteilt. Der trans- mittierte Teil trifft sodann auf die Retarder-Beschichtung 14, welche hier auf der Oberseite des Strahlteilerkörpers ausgebil det ist. Nach totaler interner Reflexion an Fläche 14 trifft der Referenzstrahl auf den Spiegel 12 ' und hernach auf die Untersei te des Strahlteilerkörpers , wo er erneut totalreflektiert wird. Das Geliche gilt sinngemäss für den Teilstrahl, der an der

Strahlteilerschicht reflektiert wird und via die Oberseite des Strahlteilerkörpers auf Spiegel 12'' gelenkt wird. Die Strahlen werden an der Strahlteilerschicht 19 wieder vereinigt und ver lassen das Interferometer, um in Prisma 16'' nochmals gebrochen zu werden. Die offenen Kreise bezeichnen die Auftrittsbereiche des Referenzstrahls auf die Oberseite des Strahlteilerkörpers .

Fig. 4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel des erfin- dungsgemässen Referenzinterferometers 1 im Grundriss. Sie unter scheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 dadurch, dass der Strahlteilerkörper nicht als Quader, sondern als L-förmige Struktur mit zwei individuell ausgebildeten Interferometerarmen bereitgestellt wird.

Die Figuren 5 und 6 zeigen jeweils einen Schnitt durch das er- findungsgemässe Interferometer 8, wobei der Schnitt in Fig. 5 entlang dem Interferometerarm ohne Retarderschicht erfolgt ist (senkrechter Arm in Fig. 4, AA-Schnitt) . Fig. 6 dagegen zeigt einen Schnitt durch den Interferometerarm, welcher die Retarder beschichtung 14 aufweist (horizontaler Arm in Fig. 4, BB- Schnitt) .

Der obere offene Kreis 17 in Fig. 5 markiert die Stelle, wo der Referenzstrahl in die Strahlteilerschicht 19 eintritt, um seinen Weg über zwei Seitenflächen des Interferometerarms und ein Spie gelelement (12'') zu absolvieren. Die optische Achse des Refe renzstrahls ist durch die ausgezogene Linie, diejenige des Nutz strahls durch die strichpunktierte Linie dargestellt. Der Refe renzstrahl 5 tritt über die geneigte Eintrittsfläche des Prismas 16' (nicht gezeigt) in den Strahlteilerkörper ein. Nach Reflexi on an der Strahlteilerschicht 19 (nicht gezeigt), Totalreflexion an der Oberseite 61, Reflexion am Spiegel 12'', Totalreflexion an der Unterseite 62 des Strahlteilerkörpers und Transmission durch die Strahlteilerschicht 19 (nicht gezeigt) verlässt der Strahl das Interferometer durch die Prismafläche 16'' wieder. Nach dem Verlassen des Interferometers verläuft der Referenz strahl 5' parallel zum reflektierten Nutzstrahl 10'. Fig. 6 zeigt den Strahlengang des Teils des Referenzstrahls, welcher durch die Strahlteilerschicht 19 (nicht gezeigt) trans- mittiert wird. Der Referenzstrahl 5 tritt von links über die ge neigte Fläche 16' in den Strahlteilerkörper ein, um seinen Weg über zwei Seitenflächen 61, 62 des Interferometerarms 2' und das Spiegelelement 12' zu absolvieren. Die optische Achse des Refe renzstrahls ist durch die ausgezogene Linie dargestellt. Nicht gezeigt ist in dieser Darstellung der Nutzstrahl. Nach Totalre flexion an der Retarderschicht 14, Reflexion am Spiegel 12' und Totalreflexion an der Unterseite 62 verlässt der Strahl den Strahlkörper via Strahlteilerschicht 19 (nicht gezeigt) wieder. Der untere offene Kreis 18 in Fig. 6 markiert die Stelle, wo der Referenzstrahl von der Strahlteilerschicht weg und aus dem

Strahlteiler hinaus gelenkt wird. Nach der Brechung durch das Prisma 16'' (nicht gezeigt) verläuft der Referenzstrahl 5' pa rallel zum reflektierten Nutzstrahl (nicht gezeigt) . Ein gerin ger Teil des vom Spiegel 12 ' reflektierten Referenzstrahls wird durch die Strahlteilerschicht 19 transmittiert . Dieser transmit- tierte Anteil verlässt entweder das Interferometer in Richtung Referenzlichtquelle oder wird, wie gezeigt, durch eine opake Be schichtung 22 absorbiert.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel einer Phasenverschiebung von senkrecht und parallel (s- und p-) polarisiertem Licht eines Referenz strahls resultierend aus totaler interner Reflexion an einer Re tarderschicht 14. Im gezeigten Beispiel trifft ein Laserstrahl 5 mit einer Wellenlänge X=638nm auf eine Eintrittsfläche des Pris mas 16', wobei die Normale der Eintrittsfläche für den Referenz strahl 5 gegenüber der optischen Achse des Referenzstrahls 5 um den Winkel d geneigt ist. Der Strahl tritt unter dem Einfalls winkel von etwa 76,5° zur Normalen auf die Grenzfläche zwi schen dem Quarzglas des Strahlteilers 3 und der Hafniumdioxid- Schicht 14. Mit einer einfachen Schicht eines Materials von ge eigneter Brechzahl ist die Grösse der Phasenverschiebung kon trollierbar. Die Phasenverschiebung resultiert, wenn der Laser strahl an der Grenzschicht zwischen dem Quarzglas des Strahltei lers 3 mit einer Brechzahl von beispielsweise ni=l,46 und der Hafniumdioxid-Schicht 14 mit einer Brechzahl von beispielsweise n ₂ =l,82 totale interne Reflexion erfährt. Ein Winkel ß zur Flä chennormalen der Hafniumdioxid-Schicht 14 beträgt etwa 49,7°.

Wie aus der Figur ersichtlich ist, übernimmt die Hafniumdioxid- Schicht 14 die Funktion eines l/4-Plättchens 11 gemäss einem her kömmlichen Referenzinterferometer wie in Fig. 1 gezeigt. Zur Phasenverschiebung tragen mehrere Effekte bei. Der Strahl 5 in terferiert mit an der Grenzfläche zwischen dem Strahlteiler 3 und der Hafniumdioxid-Schicht 14 reflektierten Anteilen und mit Anteilen, die mehrfach in der Hafniumdioxid-Schicht 14 reflek tiert werden, und somit eine grössere Phasenverschiebung akkumu lieren. In der Summe führt dies zu einer mit einer Dicke der Hafniumdioxid-Schicht 14 periodischen Modulation. Der totalre flektierte Referenzstrahl tritt unter dem Winkel e aus dem

Strahlteilerkörper aus und schneidet die optische Achse des Nutzstrahls auf der Spiegelfläche (12').

Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung der Phasenverschie bung von senkrecht und parallel (s- und p-) polarisierten Refe renzstrahlen als Resultat von totaler interner Reflexion in Ab hängigkeit von der Schichtdicke der Retarderschicht 14.

Fig. 9 zeigt die Differenz der Phasen vom jeweils s- und p- polarisiertem Licht des Referenzstrahls als Funktion der Dicke der Retarderschicht 14 bei interner Totalreflexion an einer Grenzfläche wie in Figur 7 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass mit einer Dicke der Hafniumdioxid-Schicht von 60 nm oder 120 nm eine Phasenverschiebung von p/2 (entsprechend l/4) erreicht wird. Durch eine Anpassung der Schichtdicke und/oder eines Schichtma terials ist nahezu jede erwünschte Phasenverschiebung für belie bige Substratmaterialien und Einfallswinkel erreichbar.

Bei den in Fig. 10 dargestellten Daten handelt es sich um simu lierte Daten, welche halbanalytisch manuell verifiziert wurden. Die Dicke der für die Messung verwendeten Hafniumdioxid- Schichten betrug etwa 58 nm, etwa 93 nm, etwa 121 nm und etwa 149 nm. Eine Phasenverschiebung zwischen s- und p-polarisiertem Licht wurde mit einem Testinterferometer vermessen. Fig. 10 zeigt einen Vergleich der theoretischen Werte gemäss Fig. 9 mit experimentellen Werten. Es ist ersichtlich, dass die experimen tellen und theoretischen Werte gut übereinstimmen.

Grundsätzlich hängen genaue Werte einer Phasenverschiebung emp findlich von einer Dicke einer Beschichtung und einem Einfalls winkel des Lichtes ab. Bei einer Anwendung des Referenzinterfe rometers 1 zur Quadraturdetektion ist eine exakte Phasenver schiebung von l/4 nicht essenziell, eine Abweichung von ± l/20 ist durchaus zulässig, sodass auch produktionstechnische Tole ranzen keine Schwierigkeiten darstellen.