Table top system for angle resolved light scattering measurement

Finck, Alexander von

Die Messung und Analyse von Streulicht hat in den vergangenen Jahren wesentlich an Einfluss gewonnen. Der Mangel an Messsystemen die sowohl flexibel als auch kompakt sind, motivierte diese Arbeit zur Entwicklung eines winkelauflösenden Table-Top Streulichtmesssystems mit dazugehörigen Auswertemethodiken.Das realisierte Table-Top Goniometer weist kompakte Abmaße von <0,8x0,8x0,8 m³ auf und ermöglicht die Messung von 3D-Streulichtverteilungen bei Beleuchtungwellenlängen von 405 nm, 532 nm und 640 nm. Mit erreichten Sensitivitäten, die nur durch die Luftstreuung begrenzt sind, wurde eine Dynamik von 14 Größenordnungen erzielt. Die kompakte Konstruktion wurde durch ein spezielles Achsdesign und über Faltung der Strahlengänge erreicht. Messunsicherheit und Instrumentesignatur wurden anhand von neu entwickelten Modellen und Simulationen analysiert. Darauf aufbauend erfolgten Optimierungen.Basierend auf dem Frequenzmultiplex-Prinzip wurde ein Konzept zur Ermöglichung paralleler Streulichtmessungen mit hoher Sensitivität und Dynamik entwickelt. Hiermit lässt sich das gestreute Licht unterschiedlicher Beleuchtungswellenlängen und/oder -polarisationen in verschiedenen Messkanälen gleichzeitig detektieren.Es wurde eine streulichtbasierte Analysemethode anisotroper Oberflächen eingeführt, die einen direkten Bezug zu optischen und rauheitsbeschreibenden Eigenschaften aufweist. Hiermit ließen sich erstmals Rauheitskomponenten unterschiedlicher Ursache bei ultrapräzisionsbearbeiteten diamantgedrehten Oberflächen als Funktion der Ortsfrequenz trennen. Der Einfluss von Anisotropie bei unterschiedlichen Beleuchtungswellenlängen wurde untersucht.Über Streulichtanalyse mit mehreren Beleuchtungswellenlängen wurde eine hochrobuste Rauheitscharakterisierung demonstriert. Hiermit ließen sich Kontaminationen auf beschichteten und unbeschichteten Substraten sowie Rauheitswachstum in Dünnschichtfilmen nachweisen.Es wurde gezeigt, dass sich Diamantschliffe über die Auswertung von 3D-Streulichtverteilungen charakterisieren lassen. Es können beispielsweise die Politurgüte einzelner Facetten sowie die optische Performance von Brillanten bewertet und klassifiziert werden.

In the last decades, the measurement and analysis of scattered light gained importance. The lack of compact, yet comprehensive tools motivated this thesis to develop a highly universal table top instrument for angle resolved light scattering (ARS) measurement, as well as according measurement and analysis techniques.A table top scatterometer with a compact footprint of 0.8x0.8 m² is described. It enables full 3D spherical detection at illumination wavelengths of 405 nm, 532 nm, and 640 nm. With sensitivities limited only by Rayleigh scattering at air molecules, a dynamic range of 14 orders of magnitude was achieved. The compact layout of the scatterometer was realized by a specific arrangement of the axes where the optical path lengths are artificially increased by beam folding mirrors. The realized instrument is validated by a comprehensive performance analysis focused on instrument signature and measurement uncertainty. Corresponding optimizations are derived by means of simulations and analytic models.Based on frequency division multiplexing, a concept is proposed that enables wavelength and/or polarization multiplexed ARS measurements. It allows parallel ARS measurements over the complete dynamic range and with high sensitivity.A new quantity for anisotropy is introduced which is spatial frequency resolving and directly linked to scattering losses and roughness properties. It is utilized to discriminate four roughness components in ultra-precision diamond turned surfaces by 3D-ARS measurements. The impact of anisotropy as a function of the illumination wavelength is analyzed.Experiments at three illumination wavelengths are conducted to provide highly relatable roughness information. The analysis is used to detect contamination on coatings and substrates, as well as to analyze roughness growth on thin film layers.3D-ARS measurements are demonstrated to be capable of characterizing diamond cuts in all grading relevant categories. It is shown that light scattering analysis has a direct access to the optical performance of gemstone. A method is proposed that allows one to assess the polish of the individual facets from 3D-ARS measurements.

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Finck, Alexander von: Table top system for angle resolved light scattering measurement. 2014.

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