Simultane Vermessung von Phase und ortsvarianter elliptischer Polarisation von Lichtfeldern

• Antragsteller: Professor Dr. Norbert Lindlein
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 276805456

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des Projektes war die Entwicklung einer interferometrischen Methode zur vollflächigen, simultanen Vermessung der Phase und der Polarisation einer gegebenen Lichtwelle. Im Laufe des Forschungsprojekts wurde die Methode dahingehend weiterentwickelt, dass es außerdem möglich geworden ist, simultan die Phasentransmission und die Doppelbrechung oder den Dichroismus des Messobjekts selbst im Durchlicht zu vermessen. Das Grundprinzip der Messmethode basiert auf der Erweiterung der klassischen phasenschiebenden Interferometrie (kurz PSI) zur polarisations- und phasenschiebenden Interferometrie (kurz PPSI). Wie die Bezeichnung schon sagt, wird neben der Variation der bekannten und einstellbaren Referenzphase auch die bekannte Polarisation der Referenzwelle und später auch der Eingangswelle vor dem Objekt variiert. Durch die Hinzunahme weiterer variabler bekannter Größen konnte der Raum der gesuchten Größen erweitert werden. Dadurch wurde es möglich, gleichzeitig neben der Phase auch weitere Eigenschaften der gegebenen Objektwelle (Polarisation) oder des gegebenen Messobjekts (Doppelbrechung bzw. Dichroismus) zu vermessen. Unter der Annahme, dass alle betrachteten Lichtwellen vollständig polarisiert sind, konnten alle gestellten Fragestellungen mit dem kompakten Jones-Formalismus gelöst werden. Die Umsetzung des Vorhabens bestand aus der mathematischen Beschreibung und anschließenden experimentellen Verifizierung anhand vieler unterschiedlicher Messobjekte in einem eigens dafür entwickelten Mach-Zehnder-Interferometer. Im Laufe des Projekts wurde das Messsetup außerdem derart erweitert, dass auch mikroskopisch kleine Objekte vermessen werden können. Die vollständige Messroutine wurde automatisiert und mit den dazugehörigen Auswertealgorithmen in MATLAB umgesetzt. Die PPSI-Messmethode lässt sich je nach Einsatzgebiet in unterschiedliche Untermethoden aufteilen: 1. e-PPSI: simultane Messung der Phasenfront und der beliebigen, ortsvarianten Polarisation der Objektwelle; minimale Anzahl an Intensitätsaufnahmen beträgt 5. 2. r-PPSI: simultane Messung der Phasenfront und der Doppelbrechung des Messobjekts; minimale Anzahl an Intensitätsaufnahmen beträgt 7. 3. a-PPSI: simultane Messung der Phasenfront und des Dichroismus des Messobjekts; minimale Anzahl an Intensitätsaufnahmen beträgt 9. Alle oben aufgeführten Methoden liefern vollflächige Ergebnisse. Dabei können die Verteilungen ortsvariant und beliebig sein, beschränkt nur durch die physikalischen Vorgaben. Bei geeigneter Wahl des Messalgorithmus können alle Größen aus einer einzigen Messserie extrahiert werden. Die PPSI-Methode mit ihrer Vielzahl an möglichen Messalgorithmen stellt eine interessante Ergänzung zu den herkömmlichen Methoden der phasenschiebenden Interferometrie mit viel Potenzial dar. Der Ansatz der zusätzlichen Variation der Polarisation neben der Phase der Referenzwelle kann aufgrund seiner Universalität im Prinzip auf sehr viele unterschiedliche Messsituationen angewendet werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Herstellung und interferometrische Charakterisierung von nanostrukturierten Polarisationselementen. Dissertation, Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (2016)
  Sergej Rothau
  
• Polarization and phase shifting interferometry for the simultaneous measurement of the phase and polarization. 117. Annual Meeting of the DGaO, Hannover, B19, (2016)
  S. Rothau and N. Lindlein
  
• Polarisations- und phasenschiebende Interferometrie für die simultane Vermessung der Phasenfront und der Doppelbrechung eines Objekts. 118. Annual Meeting of the DGaO, Dresden, B32, (2017)
  S. Rothau, K. Mantel, N. Lindlein
  
• Polarization and phase shifting interferometry for arbitrary, locally varying polarization states. Appl. Opt., 56(5): 1422-1430, (2017)
  S. Rothau, C. Kellermann, S. Mayer, K. Mantel, N. Lindlein
  
• Polarization and phase shifting interferometry. Proceedings of SPIE Vol. 10329, 1032903-1032903-7 (2017)
  S. Rothau, K. Mantel, N. Lindlein
  
• Polarisations-und phasenschiebende Interferometrie für die simultane Vermessung der Phasenfront und der Absorption/ des Dichroismus eines Objekts, 119. Annual Meeting of the DGaO, Aalen, P9, (2018)
  S. Rothau, X. Rao, N. Lindlein
  
• Simultaneous measurement of phase transmission and birefringence of an object under test. Appl. Opt., 57(17): 4849- 4856, (2018)
  S. Rothau, K. Mantel, N. Lindlein
  
• Simultaneous measurement of phase transmission and dichroism of an object under test. Appl. Opt., 58(7): 1739-1746, (2019)
  S. Rothau, X. Rao, N. Lindlein