DE102007025914A1

DE102007025914A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung der Strahlungsabsorptionseigenschaften eines optischen Elements

Info

Publication number: DE102007025914A1
Application number: DE200710025914
Authority: DE
Inventors: Johannes Kraus; Andreas Ebser
Original assignee: Carl Zeiss Laser Optics GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Laser Optics GmbH
Priority date: 2007-06-02
Filing date: 2007-06-02
Publication date: 2008-12-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zur Bestimmung und/oder Überwachung der Strahlungsabsorptionseigenschaften eines optischen Elements (11), insbesondere eines optischen Substrats (11.2) und/oder einer optischen Beschichtung (11.1), mit einer intensitätsmodulierte optische Strahlung (13) emittierenden optischen Strahlungsquelle (12) zum Bestrahlen des optischen Elements (11), mit einer akustischen Empfangseinrichtung (14) zum Empfangen eines von dem optischen Element (11) infolge der Bestrahlung emittierten akustischen Signals, mit einer Ermittlungseinrichtung (18) zum Ermitteln des Signalanteils des von der akustischen Empfangseinrichtung (14) empfangenen akustischen Signals, welcher infolge der Bestrahlung mit der intensitätsmodulierten optischen Strahlung (13) von dem optischen Element (11) ermittiert wurde, und mit einer Ausgabeeinrichtung (19) zum Ausgeben eines ein Maß für den von der Ermittlungseinrichtung (18) ermittelten Signalanteil darstellenden Ausgabesignals. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung der Strahlungsabsorptionseigenschaften eines optischen Elements (11), insbesondere eines optischen Substrats (11.2) und/oder einer optischen Beschichtung (11.1), mit den Verfahrensschritten: Bestrahlen des optischen Elements (11) mit einer intensitätsmodulierten optischen Strahlung (13), Empfangen eines von dem optischen Element (11) infolge der Bestrahlung emittierten akustischen Signals, Ermittels des ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung der elektromagnetische Strahlung absorbierenden Eigenschaften eines optischen Elements.
Aus dem betriebsinternen Stand der Technik ist es bekannt, die Absorption eines optischen Elements, wie z. B. einer optischen Linse, eines optischen Prismas, eines Spiegels oder dergleichen, rechnerisch aus der Differenz der Intensität eines auf das optische Element auftreffenden Lichtstrahls und der Summe der Intensitätsanteile des reflektierten Lichtstrahls und des transmittierten Lichtstrahls zu bestimmen. Die Ermittlung der hierfür erforderlichen Messdaten und die Kontrolle der experimentellen Bedingungen erfordern einen hohen Aufwand. Weiterhin ist es mit diesem Verfahren im Allgemeinen nicht möglich, ein optisches Element hinsichtlich seiner Absorptionseigenschaften und insbesondere hinsichtlich der Langzeitkonstanz seines Absorptionsverhaltens innerhalb eines komplexen optischen Systems zu überwachen, ohne dass die Messdatenerfassung die Funktionalität des optischen Systems stört. Dies gilt umso mehr, wenn sich das optische System in einem Regelbetrieb befindet.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine konstruktiv einfache und vergleichsweise leicht justierbare Vorrichtung und ein experimentell wenig aufwendiges Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung der Strahlungsabsorptionseigenschaften eines optischen Elements bereitzustellen. Die Vorrichtung und das Verfahren sollen sich auch zur Bestimmung und/oder Überwachung der Strahlungsabsorptionseigenschaften eines optischen Elements eignen, wenn das optische Element Bestandteil eines vergleichsweise komplexen optischen mit einer gepulsten Strahlungsquelle betriebenen Gesamtsystems ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Absorption elektromagnetischer Strahlung eines optischen Elements, insbesondere eines optischen Substrats und/oder einer optischen Beschichtung, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung der Strahlungsabsorptionseigenschaften eines optischen Elements, insbesondere eines optischen Substrats und/oder einer optischen Beschichtung, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Mit einem optischen Element ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein aufgrund seiner Strahlung reflektierenden, durchlässigen, brechenden, beugenden und/oder absorbierenden Eigenschaften in einem optischen System verwendeter Gegenstand (Festkörper) oder ein oder mehrere Bestandteile davon gemeint. Zu diesen Gegenständen zählen z. B. optische Linsen, Spiegel, Prismen, optische Filter, Lichtleiter oder dergleichen. Bestandteile dieser Gegenstände sind ein oder mehrere optische Substrate und eine oder mehrere auf das Substrat bzw. auf diese Substrate aufgebrachte optische Beschichtungen. Substrate umfassen z. B. unbeschichtete Linsen aus Glas, transparenten kristallinen Materialien oder Kunststoff, Glas-, Keramik- oder Kunststoffplatten für Spiegel. Optische Beschichtungen sind dünne Schichten oder Schichtsysteme, die der gezielten Beeinflussung der optischen Eigenschaften von Grenzflächen dienen. Zu den optischen Beschichtungen zählen u. a. Antireflexionsbeschichtungen, Spiegelschichten, Filter, Polarisationsschichten oder dielektrische Schichten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Strahlungsabsorptionseigenschaften eines derartigen optischen Elements umfasst eine optische Strahlungsquelle, welche eine in ihrer Intensität modulierte optische Strahlung emittiert um damit direkt oder indirekt das optische Element zu bestrahlen. Wenn die intensitätsmodulierte optische Strahlung auf das optische Element trifft, wird ein Bruchteil der Strahlungsenergie von dem optischen Element, z. B. von dem Substrat oder von der auf dieses Substrat aufgebrachten Beschichtung absorbiert. Dies führt zur Erwärmung des optischen Elements. Die Erwärmung der an das optische Bauteil angrenzenden Gasschicht führt zur lokalen Druckerhöhung des Gases. Da die Bestrahlung des optischen Elements intensitätsmoduliert, also gepulst erfolgt, kommt es zu einer Druckschwankung im Gas, d. h. einem akustischen Signal. Dieses akustische Signal ist ein Maß für die Strahlungsabsorption im optischen Element. Zum Empfang dieses in Folge der Bestrahlung des optischen Elements erzeugten akustischen Signals ist zum Beispiel eine akustische Empfangseinrichtung vorgesehen. Alternativ kann durch Anbringen eines mechanischen Aufnehmers, wie zum Beispiel eines piezoelektrischen Sensors, an das optische Bauteil selbst direkt die durch thermische Expansion im Material ausgelöste elastische Welle detektiert werden.
Es ist ferner eine Ermittlungseinrichtung vorhanden, welche gerade den Signalanteil des von der akustischen Empfangseinrichtung empfangenen akustischen Signals ermitteln kann, welcher in Folge der Bestrahlung des optischen Elements mit der intensitätsmodulierten optischen Strahlung erzeugt wurde. Anders ausgedrückt soll die Ermittlungseinrichtung verhindern, dass das Messergebnis durch akustische Fremdsignale verfälscht wird.
Schließlich ist eine Ausgabeeinrichtung vorgesehen. Diese gibt ein Ausgabesignal aus, welches ein Maß für den von der Ermittlungseinrichtung ermittelten Signalanteil ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst in entsprechender Weise die folgenden Verfahrensschritte:

a) Bestrahlen des optischen Elements mit einer intensitätsmodulierten optischen Strahlung,
b) Empfangen eines in Folge der Bestrahlung des optischen Elements erzeugten akustischen oder mechanischen Signals,
c) Ermitteln des Signalanteils des empfangenen akustischen oder mechanischen Signals, welcher in Folge der Bestrahlung des optischen Elements mit der intensitätsmodulierten optischen Strahlung erzeugt wurde,
d) Ausgeben eines ein Maß für den ermittelten Signalanteil darstellenden Ausgabesignals.

Als relativ arbeitende Methode ist die Vorrichtung und das angegebne Verfahren ohne zusätzliche Kalibrierung sofort einsetzbar, sofern ausschließlich Unterschiede oder Änderungen der Strahlungsabsapter gemessen werden sollen. Der Vorteil dieser einfachen und flexiblen Methode zur Charakterisierung von Optiken bezüglich ihrer Absorptionseigenschaften besteht darin, dass z. B. im Rahmen der Entwicklung neuer Beschichtungen oder Beschichtungsverfahren Fortschritte sehr schnell aufgezeigt werden können.
Im Rahmen der Serienproduktion kann dieses Verfahren zur Überwachung der Prozessstabilität eingesetzt werden.
Die Wartungsintervalle komplexer optischer Systeme, insbesondere wenn diese mit hochenergetischer Strahlung betrieben werden, hängen von der Ausfallwahrscheinlichkeit einzelner optischer Elemente ab. Die tatsächlichen Betriebsbedingungen und die Güte der einzelnen optischen Elemente haben jedoch einen entscheidenden Einfluss darauf, ob und wann das betreffende Element tatsächlich nicht mehr den gestellten Anforderungen genügt. Experimentelle Untersuchungen zeigen, dass einem Ausfall im Allgemeinen ein starker Anstieg der Absorption des optischen Elements vorangeht. Die erfindungsgemäße einfache Methode erlaubt es, einzelne oder mehrere optische Elemente innerhalb eines vergleichsweise komplexen optischen Systems auch während des Betriebs zu überwachen um so vorzeitig entsprechende Gegenmaßnahmen einleiten zu können. Die Wartungsintervalle können auf diese Weise signifikant erhöht und damit Kosten gesenkt werden.
Wird das optische System mit dem zu untersuchenden optischen Element ohnehin im Regelbetrieb mit einer Strahlungsquelle betrieben, welche in ihrer Intensität moduliert ist, so entsteht an dem optischen Element auch im Regelbetrieb ein detektierbares akustisches Signal, welches unmittelbar für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden kann. Eine separate weitere Strahlungsquelle ist dann nicht erforderlich.
Da die Nachweisgrenze mit zunehmender Pulsenergie der Strahlungsquelle abnimmt, ist es günstig eine leistungsfähige Strahlungsquelle zu nutzen.
Excimerlaser stellen leistungsfähige Laser dar, die als gepulste Lichtquelle generell eine zeitlich modulierte Intensität abstrahlen. Ein Excimerlaser ist ein Ultraviolettstrahlung emittierender Gaslaser, der als Laserskalpell in der Ophthalmologie, in der Fotolithografie (Mikrolithographie) und zur Herstellung hochintegrierter Halbleiter-Bauelemente benutzt wird. Die Wellenlänge eines Excimer-Lasers ist durch das bei der Anregung entstehende Molekül festgelegt. Es gibt Excimer-Laser basierend auf F₂ (157 nm), Xe (172 nm), ArF₂ (193 nm), KrF₂ (248 nm), XeBr₂ (282 nm), XeCl₂ (308 nm) und XeF₂ (351 nm).
Bevorzugt ist, wenn die Intensitätsmodulation in zeitlichen Abständen wiederholt und insbesondere periodisch erfolgt. Dabei spielt es keine oder nur eine untergeordnete Rolle, ob die Modulation einer (z. B. konstanten) Grundintensität überlagert ist oder nicht. Aus messtechnischen Gründen hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Strahlung mit einer Intensitätsmodulationsfrequenz zwischen 10 Hz und einigen kHz intensitätsmoduliert wird. Durch Variation der Frequenz kann Information über die Anteile von Oberflächen und Substratabsorption gewonnen werden. An die Pulsdauer der intensitätsmodulierten Strahlung werden in der Regel keine speziellen Anforderungen gestellt.
Um eine hinreichende Empfindlichkeit zu gewährleisten, liegt die Pulsenergie der intensitätsmodulierten Strahlung vorzugsweise im Bereich von mJ oder mehr. Die geeignete Wahl der Pulsenergie hängt von der Absorption ab.
Als akustische Empfangseinrichtung kann ein Mikrophon und/oder eine photoakustische Zelle, wie sie z. B. in Lexikon der Optik: in zwei Banden, Hrsg.: Harry Paul, Spektrum Akademischer Verlag GmbH Heidelberg, Berlin (1999), Seite 139 beschrieben ist oder ein piezoelektrischer Aufnehmer verwendet werden.
Um zum einen eine hohe Messempfindlichkeit und zum anderen eine geringe Störempfindlichkeit zu erreichen, ist die akustische Empfangseinrichtung bevorzugt auf das optische Element ausgerichtet und/oder steht in mittelbarem oder unmittelbarem Kontakt mit dem optischen Element.
Insbesondere im Falle der Verwendung eines piezoelektrischen Aufnehmers oder einer photoakustischen Zelle ist vorgesehen, dass diese(r) in unmittelbarem Kontakt mit dem zu überwachenden optischen Element steht. Letztere weist vorzugsweise einen auf das optische Element aufgesetzten Hohlkörper auf. Innerhalb des Hohlkörpers befindet sich ein Gas. Wenn auf das optische Element eine elektromagnetische, insbesondere optische Strahlung trifft, wird ein Teil der Strahlungsenergie von dem optischen Element absorbiert. Dessen Erwärmung wird auf das innerhalb des Hohlkörpers befindliche Gas übertragen und führt nach den Gasgesetzen zu einer Druckerhöhung. Wird die Strahlungsleistung zeitlich moduliert, ergibt sich eine Druckmodulation, die sehr empfindlich z. B. mit einem Mikrophon nachgewiesen werden kann. Das erhaltene Mikrophonsignal ist der absorbierten Strahlungsleistung proportional.
Die Ermittlungseinrichtung umfasst vorzugsweise einen Lock-in-Verstärker mit einem Synchronisationssignaleingang und einem Messsignaleingang. Dem Synchronisationssignaleingang wird ein Triggersignal des Lasers oder – falls nicht vorhanden – ein mit der Intensität der von der optischen Strahlungsquelle emittierten Strahlung moduliertes Synchronisationssignal zugeführt. Dem Messsignaleingang wird ein Messsignal zugeführt, welches ein Maß für das von der akustischen Empfangseinrichtung empfangene akustische Signal ist. Als Ausgangssignal stellt der Lock-in-Verstärker im Idealfall ein Gleich(spannungs)signal zur Verfügung. Dieses ist proportional zum Messsignal und zum Kosinus der Phasenverschiebung zwischen dem Messsignal und dem Synchronisationssignal.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des Ausgabesignals mit einem vorgegebenen Referenzsignal vorgesehen. Je nachdem, ob das Referenzsignal eine Normgröße oder lediglich eine nicht kalibrierte Bezugsgröße darstellt, ist das Ergebnis des Vergleichs eine absolute Größe oder lediglich eine relative Größe für die gerade vorherrschenden Absorptionseigenschaften des optischen Elements. Zur Sicherstellung der Prozessstabilität bei der Beschichtung von Substraten oder zur Darlegung von Entwicklungsfortschritten ist es im Allgemeinen ausreichend relative Aussagen zur Absorption zu treffen. Diese beziehen sich entweder auf eine Referenzprobe oder zielen auf den Vergleich von Proben. Die Absolutmessung von Absorption erzwingt hingegen hohen Aufwand zur Ermittlung der Messdaten und zur Kontrolle der experimentellen Bedingungen.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Referenzsignal ein erstes Schwellwertsignal. Weiter ist eine Hinweiseinrichtung zum Ausgeben eines Hinweissignals vorgesehen, wenn das Ausgabesignal das erste Schwellwertsignal überschreitet. Alternativ oder zusätzlich kann die Hinweiseinrichtung auch derart ausgebildet sein, dass dann ein Hinweissignal ausgegeben wird, wenn das Ausgabesignal das erste Schwellwertsignal unterschreitet.
Verwendet man z. B. als Schwellwertsignal den Ist-Zustand eines anderen aber gleichartigen optischen Elements einer Serie, so liefert das Hinweissignal einen Hinweis, ob das neuerlich untersuchte optische Element eine höhere oder eine geringere Absorption als das andere optische Element aufweist. Verwendet man dagegen z. B. als Schwellwert einen zulässigen Soll-Zustand eines optischen Elements, so liefert das Hinweissignal einen Hinweis, ob das neuerlich untersuchte optische Element innerhalb einer Toleranzgrenze liegt oder nicht.
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst das Referenzsignal ein von einem Strahlungsabsorptionsnormal abgeleitetes Normsignal. Erfindungsgemäß ist weiter eine Anzeigeeinrichtung zum Ausgeben eines ein absolutes Maß für die Strahlungsabsorption darstellenden Anzeigesignals vorgesehen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung umfasst das Referenzsignal ein zweites Schwellwertsignal. Dieses Schwellwertsignal dient nicht lediglich dazu, einer Person einen Hinweis auf einen momentanen Absorptionszustand des überwachten optischen Elements zu geben, sondern es dient dazu aktiv in den Betriebszustand des optischen Elements oder des optischen Systems mit dem optischen Element einzugreifen. Erfindungsgemäß ist daher eine Abschalteinrichtung zum Abschalten der Strahlungsquelle und/oder anderer aktiver Komponenten, wie z. B. Abschwächer oder Shutter vorgesehen. Diese Abschalteinrichtung kann dazu ausgebildet sein, die Strahlungsquelle oder andere aktive Komponenten in dem optischen System auszuschalten, wenn das Ausgabesignalsignal das zweite Schwellwertsignal überschreitet und/oder wenn das Ausgabesignal das zweite Schwellwertsignal unterschreitet.
In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung umfasst das Referenzsignal alternativ oder zusätzlich zu dem ersten und/oder dem zweiten Schwellwertsignal ein drittes Schwellwertsignal. Dieses dient ebenfalls dazu aktiv in den Betriebszustand des optischen Elements oder des optischen Systems mit dem optischen Element einzugreifen und zwar dadurch dass das optische Element durch ein anderes optisches Element ersetzt wird, wenn das Ausgangssignal das dritte Schwellwertsignal überschreitet und/oder wenn das Ausgangssignal das dritte Schwellwertsignal unterschreitet. Der Austausch kann manuell erfolgen, oder es kann eine mechanische Austauscheinrichtung vorgesehen sein, welche das „defekte" optische Element durch ein „intaktes" optisches Element ersetzt.
Die Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1: ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Strahlungsabsorptionseigenschaften eines Planspiegels,
2: ein zweites Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Strahlungsabsorptionseigenschaften eines optischen Gitters.
Die nachfolgend skizzierten Vorrichtungen bedienen sich eines rein relativen – nicht absoluten – Messverfahrens. Das vorgestellte relative Messverfahren wird als extrem einfach und flexibel angesehen und macht keinerlei Probenjustage erforderlich.
Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Bestimmung und/oder Überwachung der Strahlungsabsorptionseigenschaften eines optischen Elements. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 wird hier zur Untersuchung eines Planspiegels 11 eingesetzt. Der Planspiegel 11 besteht aus einer auf ein Plan-Substrat 11.2 aufgebrachten hochreflektierenden Beschichtung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 umfasst einen KrF₂ Excimer-Laser 12 als Strahlungsquelle. Dieser KrF₂ Excimer-Laser 12 wird gepulst mit einer Impulsdauer von 25 ns und einer Wiederholfrequenz von 1 kHz betrieben und emittiert elektromagnetische Strahlung 13 mit einer Wellenlänge von 248 nm bei einer Pulsenergie von 10 mJ. Der Laserstrahl ist auf das Zentrum 17 des Planspiegels 11 gerichtet. Der Excimer-Laser 12 weist einen Lasersignalausgang L auf, an dem ein zur emittierten Strahlung 13 synchrones elektrisches Spannungssignal ausgegeben wird.
Als akustische Empfangseinrichtung ist ein Mikrophon 14 mit einem elektrischen Spannungssignalausgang E vorgesehen. Dieses Mikrophon 14 befindet sich innerhalb eines einseitig geschlossenen Zylinders 15, dessen Öffnung 16 auf das Zentrum 17 des planparallelen Spiegels 17 ausgerichtet ist.
Als Ermittlungseinrichtung ist ein Lock-in-Verstärker 18 vorgesehen. Dieser Lock-in-Verstärker 18 weist zwei Signaleingänge, nämlich einen Synchronisationssignaleingang S, und einen Messsignaleingang M, und einen Signalausgang A auf.
Schließlich ist als Ausgabeeinrichtung ein (nicht dargestellter Rechner) mit einem Bildschirm 19 vorhanden.
Der Lasersignalausgang L des Excimer-Lasers 12 ist mit dem Synchronisationseingang S des Lock-in-Verstärkers 18 verbunden. Der Ausgang E des Mikrophons 14 ist über eine elektrische Leitung mit dem Messeingang M des Lock-in-Verstärkers 18 verbunden. Der Ausgang A des Lock-in-Verstärkers 18 ist über den Rechner mit dem Bildschirm 19 verbunden.
Bei der vorgeschlagenen Realisierung wird das seit über 100 Jahren bekannte photoakustische Prinzip genutzt.
Der gepulste Laserstrahl 13 trifft auf das Zentrum 17 der zu untersuchenden Optik, hier den planparallelen Spiegel 11. Ein Bruchteil der Energie wird in der Beschichtung 11.2 oder im Substrat 11.1 absorbiert. Dies führt zur Erwärmung der Optik 11. Die Wärmewelle wandert an die Optikoberfläche 11.3 und wird an die umgebende Gasschicht 11.4 abgegeben. Die Erwärmung dieser Gasschicht 11.4 führt zur lokalen Druckerhöhung des Gases 11.5. Da die Laserbestrahlung der Optik 11 gepulst erfolgt, kommt es zu einer Druckschwankung im Gas 11.5, also einem akustischen Signal, das mit Hilfe des auf den Ort 17 der Bestrahlung ausgerichteten Mikrofons 14 erfasst werden kann. Das gepulste akustische Signal wird von dem Mikrophon 14 in ein elektrisches Signal umgewandelt und dem Messsignaleingang M des Lock-in-Verstärkers 18 zugeführt. Dieser ist mit Hilfe des am Laserausgang L anliegenden und dem Synchronisationssignaleingang S des Lock-in-Verstärkers 18 zugeführten Synchronisationssignal mit der Repetitionsrate des Lasers 12 synchronisiert. Am Ausgang A des Lock-in-Verstärkers 18 liegt ein kontinuierliches Ausgabesignal. Dieses Signal ist proportional zur Höhe der Absorption im Coating 11.1 bzw. im optischen Substrat 11.2. Durch die Lock-in-Technik werden außerdem Störungen durch andere akustische Signale minimiert.
Dieses Ausgabesignal kann an dem Bildschirm 19 kontinuierlich graphisch oder numerisch angezeigt werden. Der angeschlossene Rechner ermöglicht es, beim Überschreiten eines Schwellwerts einen akustischen, mechanischen oder optischen Warnhinweis auszugeben, welcher von einer Person auditiv, visuell oder haptisch wahrgenommen werden kann, oder dazu dienen kann den Laser 13 abzuschalten.
Diese Variante zeichnet sich durch ihre einfache Justage des Mikrofons aus. Eine Messung ist auch an komplexeren Optiken während des Betriebes möglich.
Die 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung 20. Bei dieser Vorrichtung 20 wird ein Strahl 23 eines Excimer-Lasers 22 auf das Zentrum 27 eines Reflexionsgitters 21 gerichtet. Die Vorrichtung 20 zeichnet sich potentiell durch größere Empfindlichkeit aus und damit durch die Möglichkeit auch geringere Absorptionen im Coating 21.1 oder im Substrat 21.2 dieses Gitters 21 nachzuweisen.
Die Erregung akustischer Signale erfolgt wie oben in der Beschreibung zum Ausführungsbeispiel nach der 1 bereits ausgeführt wurde.
Als akustische Empfangseinrichtung ist bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel eine photoakustische Zelle 24 vorgesehen. Diese photoakustische Zelle 24 besteht aus einem Hohlkörper in Form eines einseitig geschlossenen Zylinders 25. Das offene Ende dieses Zylinders 25 ist auf die Rückseite 21.3 des Reflexionsgitters 21 aufgesetzt, wobei der Rand 25.1 des Zylinders 25 mittels eines Dichtrings 26 gegenüber der Rückseite 21.3 des Reflexionsgitters 21 abgedichtet ist. Innerhalb des Zylinders 25 befindet sich ein Gas, hier Luft. Bei dieser zweiten Variante befindet sich das Mikrofon 30 seitlich an dem in unmittelbarem Kontakt zum zu analysierenden optischen Element 21 stehenden Messzylinder 25 und nicht wie bei der ersten Variante innerhalb eines öffnungsseitig auf das zu untersuchende optische Element 11 ausgerichteten Zylinders 15. Das Mikrophon 30 befindet sich in Kontakt mit dem Gas.
Wie im vorigen Ausführungsbeispiel ist ein Lock-in-Verstärker 28 sowie ein Rechner 29 mit Bildschirm 29.1 und Tastatur 29.2 vorhanden. Der Lasersignalausgang L des Excimer-Lasers 22 ist mit dem Synchronisationseingang S des Lock-in-Verstärkers 28 verbunden. Der Ausgang E des Mikrophons 30 ist auf den Messeingang M des Lock-in-Verstärkers 28 geführt. Der Ausgang A des Lock-in-Verstärkers 28 ist über den Rechner 29 an den Bildschirm 29.1 angeschlossen.
Ähnlich wie bei der oben skizzierten Variante trifft der gepulste Laserstrahl 23 auf das Zentrum 27 der zu untersuchenden Optik 21. Ein Bruchteil der Energie wird in der Beschichtung 21.2 oder im Substrat 21.1 absorbiert. Dadurch erwärmt sich das Reflexionsgitter 21. Die Wärmewelle wandert an die Optikoberfläche und insbesondere auch zur Rückfläche 21.3. Die Wärme wird an das sich innerhalb des Messzylinders 25 befindende Gas 24.1 abgegeben. Da die Laserbestrahlung der Optik 21 gepulst erfolgt, kommt es zu einer Druckschwankung im Gas 24.1, also einem akustischen Signal, das mit Hilfe des Mikrofons 30 erfasst werden kann. Die entstehende Schallwelle wird also in dem Messzylinder 25 (Photoakustische Zelle 24) gemessen. Die Abmessung der Zelle 25 kann so gewählt werden, dass zur Signalverstärkung akustische Resonanz in der Zelle 24 angeregt werden kann. Alternativ kann an Stelle der photoakustischen Zelle 24 ein piezoelektrischer Aufnehmer („Transducer") eingesetzt werden.
Das gepulste akustische Signal wird von dem Mikrophon 30 in ein elektrisches Signal umgewandelt und dem Messsignaleingang M des Lock-in-Verstärkers 28 zugeführt. Dieser ist mit Hilfe des am Laserausgang L anliegenden und dem Synchronisationssignaleingang S des Lock-in-Verstärkers 28 zugeführten Synchronisationssignal mit der Repetitionsrate des Lasers 22 synchronisiert. Am Ausgang A des Lock-in-Verstärkers 28 liegt ein kontinuierliches zur Absorption proportionales Ausgabesignal. Dieses Ausgabesignal wird wie beim Ausführungsbeispiel oben am Bildschirm 29.1 zur Anzeige gebracht.
Zur Erprobung der Erfindung können die Resultate mit solchen verglichen werden, die an einem alternativen Messaufbau gemessen werden. Die Nutzung der Erfindung kann im Rahmen der Sicherstellung der Prozessstabilität bei der Herstellung niedrig absorbierender Laseroptiken erfolgen.

10: Vorrichtung
11: Planplatte
11.1: Beschichtung
11.2: Substrat
11.3: Oberfläche
11.4: Gasschicht
11.5: Gas/Luft
12: Laser
13: Laserstrahl
14: Mikrophon
15: Zylinder
16: Öffnung
17: Zentrum
18: Lock-in-Verstärker
19: Bildschirm
20: Vorrichtung
21: Reflexionsgitter
21.1: Beschichtung
21.2: Substrat
21.3: Rückseite
22: Laser
23: Laserstrahl
24: photoakustische Zelle
24.1: Gas
25: Messzylinder
25.1: Rand
26: Dichtring
27: Zentrum
28: Lock-in-Verstärker
29: Rechner
29.1: Bildschirm
29.2: Tastatur
30: Mikrophon
A: Signalausgang
E: Mikrophonausgang
S: Synchronisationssignaleingang
M: Messsignaleingang
L: Lasersignalausgang

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Lexikon der Optik: in zwei Banden, Hrsg.: Harry Paul, Spektrum Akademischer Verlag GmbH Heidelberg, Berlin (1999), Seite 139 [0019]

Claims

Vorrichtung (10, 20) zur Bestimmung und/oder Überwachung der Strahlungsabsorptionseigenschaften eines optischen Elements (11, 21), insbesondere eines optischen Substrats (11.2, 21.2) und/oder einer optischen Beschichtung (11.1, 21.1), – mit einer intensitätsmodulierte optische Strahlung (13, 23) emittierenden optischen Strahlungsquelle (12, 22) zum Bestrahlen des optischen Elements (11, 21) – mit einer akustischen Empfangseinrichtung (14, 24) zum Empfangen eines in Folge der Bestrahlung des optischen Elements (11, 21) entstehenden akustischen Signals oder mit einem mechanischen Aufnehmer zum Aufnehmen der durch thermische Expansion des optischen Elements (11, 21) ausgelösten Welle – mit einer Ermittlungseinrichtung (18, 28) zum Ermitteln des Signalanteils des von der akustischen Empfangseinrichtung (14, 24) empfangenen akustischen Signals oder der von dem mechanischen Aufnehmer aufgenommenen Welle, welcher in Folge der Bestrahlung des optischen Elements (11, 21) mit der intensitätsmodulierten optischen Strahlung (13, 23) erzeugt wurde – mit einer Ausgabeeinrichtung (19, 29) zum Ausgeben eines ein Maß für den von der Ermittlungseinrichtung (18, 28) ermittelten Signalanteil darstellenden Ausgabesignals.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle einen gepulst betriebenen Laser (12, 22) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Empfangseinrichtung (14, 24) auf das optische Element (11) ausgerichtet und/oder in mittelbarem oder unmittelbarem Kontakt mit dem optischen Element (21) steht.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Empfangseinrichtung ein Mikrophon (14) und/oder eine photoakustische Zelle (24) umfasst oder dass der mechanische Aufnehmer einen piezoelektrischen Aufnehmer umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die photoakustische Zelle (24) einen auf das optische Element (21) aufgesetzten Hohlkörper (25) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlungseinrichtung (18, 28) einen einen Synchronisationssignaleingang (S) und einen Messsignaleingang (M) aufweisenden Lock-In-Verstärker (18, 28) umfasst, wobei dem Synchronisationssignaleingang (S) ein Triggersignal oder ein mit der Intensität der von der optischen Strahlungsquelle (12, 22) emittierten Strahlung (13, 23) moduliertes Synchronisationssignal zugeführt ist und wobei dem Messsignaleingang (M) ein Messsignal zugeführt ist, welches ein Maß für das von der akustischen Empfangseinrichtung (14, 24) empfangene akustische Signal ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vergleichseinrichtung (29) zum Vergleichen des Ausgabesignals mit einem vorgegebenen Referenzsignal vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal ein erstes Schwellwertsignal umfasst und dass eine Hinweiseinrichtung (19, 29.1) zum Ausgeben eines Hinweissignals vorgesehen ist, wenn das Ausgabesignal das erste Schwellwertsignal überschreitet und/oder dass die Hinweiseinrichtung (19, 29.1) zum Ausgeben eines Hinweissignals vorgesehen ist, wenn das Ausgabesignal das erste Schwellwertsignal unterschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal ein von einem Strahlungsabsorptionsnormal abgeleitetes Normsignal umfasst und dass eine Anzeigeeinrichtung (19, 29.1) zum Ausgeben eines ein absolutes Maß für die Strahlungsabsorption darstellenden Anzeigesignals vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal ein zweites Schwellwertsignal umfasst und dass eine Abschalteinrichtung zum Abschalten der Strahlungsquelle (12, 22) und/oder anderer aktiver Komponenten vorgesehen ist, wenn das Ausgabesignal das zweite Schwellwertsignal überschreitet und/oder dass die Abschalteinrichtung zum Abschalten der Strahlungsquelle (12, 22) und/oder anderer aktiver Komponenten ausgebildet ist, wenn das Ausgabesignal das zweite Schwellwertsignal unterschreitet.
Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung der Strahlungsabsorptionseigenschaften eines optischen Elements (11, 21), insbesondere eines optischen Substrats (11.2, 21.2) und/oder einer optischen Beschichtung (11.1, 21.1), mit folgenden Verfahrensschritten: – Bestrahlen des optischen Elements (11, 21) mit einer intensitätsmodulierten optischen Strahlung (13, 23) – Empfangen eines in Folge der Bestrahlung des optischen Elements (11, 21) entstehenden akustischen Signals – Ermitteln des Signalanteils des empfangenen akustischen Signals, welcher in Folge der Bestrahlung des optischen Elements (11, 21) mit der intensitätsmodulierten optischen Strahlung entstanden ist – Ausgeben eines ein Maß für den ermittelten Signalanteil darstellenden Ausgabesignals.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die intensitätsmodulierte optische Strahlung (13, 23) eine kohärente Strahlung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung (13, 23) mit einer Intensitätsmodulationsfrequenz zwischen 10 Hz und einigen kHz intensitätsmoduliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgabesignal mit einem vorgegebenen Referenzsignal verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal ein Schwellwertsignal ist und dass ein Hinweissignal ausgegeben wird, wenn das Ausgabesignal das Schwellwertsignal überschreitet und/oder dass das Hinweissignal ausgegeben wird, wenn das Ausgabesignal das Schwellwertsignal unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal ein von einem Strahlungsabsorptionsnormal abgeleitetes Normsignal ist und dass ein ein absolutes Maß für die Strahlungsabsorption darstellendes Anzeigesignal ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal ein zweites Schwellwertsignal umfasst und dass die Strahlungsquelle (12, 22) und/oder andere aktive Komponenten abgeschaltet werden, wenn das Ausgabesignalsignal das zweite Schwellwertsignal überschreitet und/oder dass die Strahlungsquelle (12, 22) und/oder andere aktive Komponenten abgeschaltet werden, wenn das Ausgabesignal das zweite Schwellwertsignal unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal ein drittes Schwellwertsignal umfasst und dass das optische Element (11, 21) durch ein anderes optisches Element ersetzt wird, wenn das Ausgangssignal das dritte Schwellwertsignal überschreitet und/oder dass das optische Element (11, 21) durch ein anderes optisches Element ersetzt wird, wenn das Ausgangssignal das dritte Schwellwertsignal unterschreitet.