O eletrómetro espectral de matriz de Mueller baseia-se no formalismo de Mueller-Stokes mais comum. Ele constrói uma matriz de Mueller 4x4 M, alterando sistematicamente o estado de polarização da luz de entrada (realizada por um polarizador e um gerador de estado de polarização ajustável) e medindo com precisão o estado de polarização da luz refletida ou transmitida (realizada por um polarizador e um analisador de estado de polarização) de todos os quatro parâmetros de Stokes. Esta matriz descreve completamente todas as alterações da amostra na luz de entrada (intensidade, polaridade, direção de polarização, taxa de elipse, etc.) e contém informações muito mais ricas do que Ψ e Δ, especialmente adequadas para a análise de amostras complexas com heterogeneidade, rugosidade, estrutura padronizada ou presença de efeitos de depolarização.
Um conjunto típico de eletrómetros de matriz de Mueller é composto principalmente por vários subsistemas críticos que trabalham juntos para formar uma cadeia de medição óptica de precisão:
1. Fontes de luz e sistemas de espectrogenização
Este é o ponto de partida da medição, fornecendo uma ampla gama de comprimentos de onda para todo o sistema.
Fonte de luz: Normalmente, é usado um alto brilho e um amplo espectro de lâmpadas de halotungstênio ou de xenão. Para aplicações específicas, também é possível usar um laser ou um LED. A estabilidade da fonte de luz e a continuidade espectral são essenciais.
Monocromáticos/espectrómetros: Em sistemas de análise rotativo/compensador ou de imagem, os monocromáticos são frequentemente usados para espalhar cores de espectro amplo e selecionar comprimentos de onda específicos para medição. Em sistemas de transformação de Fourier ou baseados em detectores de matriz, o espectrómetro é usado para detectar vários comprimentos de onda simultaneamente. Os modernos usam mais do que este último, usando uma fonte de luz de banda larga em conjunto com um detector de matriz de alta sensibilidade para uma varredura espectral rápida.
Óptica de direção e foco: incluindo lentes, reflexores, etc., para direcionar a luz emitida pela fonte em feixes paralelos e focar com precisão no ponto de medição da superfície da amostra, garantindo o tamanho da mancha e o ângulo de entrada controlados.
2. Gerador de polarização
Responsável pela geração de uma série de estados de polarização de entrada conhecidos e controlados com precisão.
Polarizador: geralmente um polarizador linear fixo que converte a luz não polarizada emitida pela fonte de luz em luz polarizada linear em uma direção específica como referência para a modulação posterior.
Componente de polarização ajustável: Este é o núcleo do PSG para gerar o estado de polarização desejado (linear, circular, elíptico) com base na luz polarizada linear gerada pelo polarizador, alterando seu ângulo de orientação e / ou atraso de fase. Tecnologias comuns incluem:
Compensador de rotação: Usa uma placa de onda fixa (geralmente um quarto de placa de onda) e um compensador de rotação de alta velocidade (outra placa de onda).
Polarizador/Analisador Rotativo: Altere a direção da polarização girando o polarizador e/ou o polarizador. A estrutura é relativamente simples, mas a velocidade de medição é mais lenta.
Modulador fotoelétrico: modulação rápida do atraso de fase da folha com efeitos piezoelétricos para a modulação de alta velocidade e de estado polarizado de componentes móveis, mas com custos elevados e alcance espectral limitado.
Retardador variável de cristal líquido: Alterar o atraso de fase através do controle de tensão da orientação das moléculas de cristal líquido permite o controle do estado de polarização de componentes estáticos e móveis, com alta flexibilidade, mas a velocidade de resposta e a faixa espectral precisam ser otimizadas.
3. Banco de amostras e controle de ângulo
A mesa de amostragem é o local onde a luz interage com a amostra e a sua precisão afeta diretamente os resultados da medição.
Mesa de amostras de precisão: fornece uma plataforma estável para colocar amostras, geralmente com ajuste de deslocamento 3D XYZ, para garantir a localização precisa da mancha de medição em uma área específica da amostra.
Mecanismo de controle de ângulo: A chave é a regulação do ângulo de entrada. As medições são geralmente realizadas sob vários ângulos de entrada para aumentar a quantidade de informação e melhorar a precisão de ajuste.
Controle Ambiental (opcional): É possível integrar câmaras de controle de temperatura, vácuo ou atmosfera para estudar as mudanças dinâmicas das amostras em diferentes ambientes.
4. Analisador de polarização
Responsável pela medição precisa da polarização completa da luz que retorna da amostra refletida (ou transmitida).
Polarizador: semelhante ao polarizador, geralmente um polarizador linear.
Componente de análise de polarização ajustável: para analisar diferentes componentes de polarização. Quatro parâmetros de Stokes da luz refletida podem ser desregulados por rotação de alta velocidade e detecção sincronizada.
Sistema de imagem: a informação de polarização da superfície da amostra é projetada em um detector de matriz bidimensional para medições de matriz de Mueller com resolução espacial.
5. Sistema de detecção
Converter sinais ópticos em sinais elétricos processáveis.
Detector: Escolha de acordo com a faixa espectral. Exige alta sensibilidade, baixo ruído, ampla faixa dinâmica e boa resposta linear.
Processamento e captação de sinais: incluindo amplificadores, conversores analógicos (ADC) e cartões de captação de dados de alta velocidade. Para sistemas de componentes rotativos, é necessário um sinal sincronizado preciso, como um sinal de codificador, para acionar a coleta de dados, garantindo que a intensidade da luz seja registrada com precisão em cada posição angular do ciclo de rotação.
6. Controle e sistemas de processamento de dados
Computador e software de controle: controle de toda a fonte de luz, mecanismo de rotação (velocidade, posição), captação de detectores, movimentação da mesa de amostras, etc. Execute sequências de medição para monitorar dados em tempo real.
Software de processamento e modelagem de dados: os dados brutos de intensidade fotográfica coletados revertem os elementos da matriz de Mueller através de algoritmos complexos. Em seguida, o usuário cria um modelo óptico físico da amostra e o software inverte os parâmetros do modelo (espessura, n, k, rugosidade, orientação do eixo cristalino, etc.) ajustando a matriz de Mueller calculada com a matriz de Mueller medida.