相移点衍射干涉仪用衍射板结构设计

相移点衍射干涉仪(PS/PDI)的检测精度取决于衍射板中针孔衍射产生的参考球面波质量,而针孔的直径是影响参考球面波质量的一个重要因素。基于矢量衍射理论,以会聚光束作为入射光,分析了针孔厚度和直径、加工误差以及入射光源单项像差和综合像差对衍射波面质量的影响。仿真数据表明,为了获得数值孔径为0.2,波前误差均方根(RMS)值不大于1.4×10-3λ的理想球面波,在针孔的实际加工制作中,应选200nm厚度铬膜,直径为1.5μm的针孔,并且满足仿真误差要求;对衍射板上窗口尺寸进行了仿真,结果表明窗口边长取60μm时,仿真结果最优。用实验验证了设计结果的可行性。     

非对准高斯光束入射下的小孔衍射光强分布

点衍射干涉仪中小孔的对准情况直接决定小孔衍射光斑的形状及位置,也影响着后续光路的布置.基于瑞利-索末菲衍射理论,对非对准高斯光束入射下的小孔衍射光强分布进行了研究,给出了平移、离焦、倾斜三种对准误差下的光强分布解析表达式,分析得出了不同直径小孔在不同对准误差下的衍射光强分布情况.研究表明:平移对准误差会使衍射光斑形状发生变化,但对衍射光斑中心的位置没有影响,随着平移对准误差的增大,沿平移方向的第一暗环呈月牙状并逐渐消失;离焦对准误差对衍射光斑的位置和形状均无明显影响,但衍射光强值会随着离焦量的增加而减小;倾斜对准误差会使衍射光斑中心位置发生偏移,但衍射光斑的形状不会发生变化,并且偏移方向与斜入射方向一致,偏移量与倾斜角之间呈线性关系.     

照明物镜数值孔径对微孔衍射波前质量影响分析

通过微孔衍射产生高质量的球面波是进行夏克-哈特曼波前传感器(SHWS)高精度标定的关键。采用时域有限差分(FDTD)法,进行了193 nm准分子激光照明下有限厚度有限电导率微孔的衍射仿真计算,分析了照明物镜数值孔径(NA)对微孔衍射波前质量的影响,确定了满足SHWS高精度标定所需微孔直径和照明物镜NA的大小。分析计算得出,采用直径为200 nm的微孔及NA为0.6~0.75的照明物镜时,衍射波前均方根(RMS)偏差为3.50×10-3λ,强度均匀性为0.10,微孔透射率约为0.15,满足SHWS进行纳米精度波像差检测对参考球面波质量的要求。     

光栅横向剪切干涉仪及其系统误差分析

在分析光栅横向剪切干涉仪典型结构及系统参数配置,给出其适用范围的基础上,系统研究了该干涉仪结构最显著的系统误差:几何光程误差和探测器倾斜误差。采用Zernike多项式给出波前重建前后系统误差项的解析表达式;对其大小与被测数值孔径(NA)、衍射光会聚点间距d、剪切率s之间的关系进行了定量分析。几何光程彗差和像散、探测器倾斜像散和离焦是剪切干涉差分波前中最主要的误差项,波前重建后主要导致几何光程球差和彗差,探测器倾斜彗差。重建波前误差随着NA、d的增加而迅速增大,随着s的减小而增大。特别是小剪切(s≤0.05)时,波前重建对系统误差有增益效应,重建波前的系统误差值远大于差分波前。小剪切情况下,当d2μm、NA0.1时,重建波前误差的均方根值远大于1nm。     

可见光下3维针孔的衍射波面分析

针孔是相移点衍射干涉仪中的关键元件。为了探究针孔的尺寸、制造针孔的材料以及材料的厚度对衍射波面质量的影响,确定点衍射干涉仪的测量精度,采用时域有限差分法分析获得了近场数据,并利用瑞利-索末菲矢量衍射理论将近场数据外推得到远场数据,通过远场处理数据分别对TM和TE偏振光入射针孔时,针孔的大小、材料以及材料厚度对衍射波波面质量的影响进行了理论分析和仿真模拟,得到了相应变化曲线图。结果表明,若要获得理想的球面波,材料厚度不能低于300nm,适当的孔径尺寸可以降低衍射波面误差;当孔径为300nm左右时,波面的均方根误差可达到λ/1000(λ=632.8nm)。这一结果对相移点衍射干涉仪的设计和应用是有帮助的。     

光栅刻划机阿贝误差对光栅衍射波前质量的影响及其校正方法

衍射波前质量是衡量刻划光栅性能的重要指标之一,光栅刻划机若存在阿贝误差,将直接影响刻线位置精度,从而影响光栅的波前质量。建立了刻划机阿贝误差与光栅衍射波前质量的物理模型,并分析了该误差对波前质量的影响。针对该误差设计了一种基于双频激光干涉测量的阿贝误差测量光路,测量了刻划机的阿贝误差,根据物理模型对其导致的光栅衍射波前误差作了仿真分析,并提出了基于双层工作台结构的误差控制校正方法。对两块尺寸为80mm×100mm、刻线密度为79groove/mm的中阶梯光栅进行了阿贝误差校正前后的对比刻划实验。结果表明,通过对阿贝误差的测量和校正,光栅闪耀级次为-36级的衍射波前误差由0.529λ降低至0.159λ(λ=632.8nm),有效地降低了阿贝误差对光栅衍射波前质量的影响。     

大口径波片空间相位延迟量误差研究

波片相位延迟量的常用检测方法只是针对激光光束直径(2 mm左右)的光束测出的平均值,对于大口径波片空间相位延迟量的检测,本文提出基于菲索干涉仪的检测方法,建立了波片的空间相位延迟量误差与干涉图样之间的理论数学模型,理论分析了影响相位延迟量误差主要因素有:光源的光谱宽度、石英晶体的空间折射率分布以及波片的面形误差；利用MATLAB程序编程,进行了数值计算,若要求波片的相位延迟量总误差小于一般波片测试误差1°,则光源的光谱宽度应小于0.2 nm,石英晶体的空间折射率分布误差应小于0.005,面形误差应小于200 nm；实验室搭建菲索干涉仪,选取了口径25.4 mm的石英波片进行测试,测试效果良好,测量精度为0.05°。     

扫描干涉场曝光系统光斑尺寸与光路设计

在扫描干涉场曝光(SBIL)系统中,曝光光斑尺寸对干涉条纹的拼接精度、光栅制作效率及干涉场质量有着十分重要的影响。为获取合理的曝光光斑尺寸,基于高斯光束的传输规律及扫描拼接数学模型进行了数值模拟,讨论了曝光光斑尺寸对干涉条纹的非线性误差、刻线拼接误差和曝光对比度的影响。结果表明:小尺寸曝光光斑比大尺寸曝光光斑更有利于控制干涉条纹的非线性误差;由于存在周期测量误差,小尺寸曝光光斑有利于减小拼接后的刻线误差并提高曝光对比度。针对SBIL系统设计了曝光光路,并对所设计的光路进行了优化。对干涉场左右光斑形貌及干涉条纹相位的非线性误差进行了测量,结果表明:曝光光斑的束腰半径约为0.9mm,干涉条纹相位的非线性误差峰谷值为21.8nm。     

干涉条纹带宽与波前斜率分布关系研究

干涉测量法是测量科学中有效的手段之一,但受到检测带宽的限制,难以增大其动态测量方位或者检测面形的高频误差。结合角谱理论对干涉条纹空间频率及其带宽与波前斜率的关系进行了理论分析和仿真实验,得到了干涉条纹带宽与波前斜率的数值对应关系。结果表明,干涉条纹最大频率对应波前的最大斜率,由波前最大斜率可确定干涉检测的动态范围,即由波前斜率可以估算出干涉条纹带宽;反之,根据电荷耦合器件(CCD)分辨率确定干涉图的总带宽,可以计算出能测的最大波前斜率,对后续研究各种干涉方法的频谱特性以及如何进行频谱带宽的优化分配提供了理论依据。     

双孔点衍射干涉成像系统波像差检测技术研究

提出了一种用于测量高精度成像系统的双孔点衍射干涉仪,具有高光场均匀性、高可测量数值孔径、准共光路、相移元件在系统成像光路以外的优点。设计了两种测量模式,点衍射测量模式和系统误差测量模式,其中系统误差模式用于标定干涉仪的系统误差。分别搭建了双孔点衍射干涉和双光纤点衍射干涉的实验装置,完成了对设计波像差小于0.045λ RMS,5×透射式投影物镜的检测实验。实验结果表明,与双光纤点衍射干涉仪对比,双孔点衍射的波像差测量相对误差为0.07 nm RMS,且干涉图具有更加良好的光强均匀性。验证了本文检测技术的有效性。     

不同针孔直径下衍射波面的标量和矢量分析

针孔作为点衍射干涉仪中的关键元件,针孔的制作精度将会严重影响干涉仪的检测精度。对于大多数衍射问题,标量衍射理论是一种比较好的近似,但是当衍射孔径较小时,矢量衍射理论更能说明衍射波面的实际情况。针对可见光入射针孔时,分别从标量和矢量衍射理论出发,分析针孔尺寸对衍射波质量的影响,并计算衍射波面的峰谷（PV）值和均方根（RM...     

Wavefront curvature sensor with phase defocus grating

The proposed optimum phase defocus grating for wavefront curvature sensing features an equidistantly quantized two-phase-step and a phase step height of π. The optimum phase defocus grating suppresses the influence of zero-order diffraction. The high diffractive efficiencies of the ±1 diffraction orders are verified experimentally, showing average values of 38.08% and 40.36% respectively. The phase plate introduces the wavefront deformation, which are measured by wavefront curvature sensing and reconstructed via the Green's Function algorithm. The reconstructed wavefront is compared with the measurement result of a Veeco interferometer. It is verified that the measurement of the self-designed curvature sensor is correct. The error percent of peak-valley value (PV) is 10%, and the error percent of root mean square (RMS) is 2%.     

基于反射型物体的高阶周期衍射关联成像方案

周期物体的衍射光场在垂直于传播方向的平面上具有周期性,衍射光场有着点对点间（删除）的关联。在此基础上,提出基于反射型物体的高阶周期衍射关联成像方案,给出成像性能的理论分析和数值仿真。研究结果表明：对于反射型物体的周期衍射关联成像,当针孔点阵列的孔数确定时,随着阶数的增大,成像的可见度增大,信噪比下降。而当阶数确定时,随着针孔点阵列孔数的增加,成像的可见度和信噪比都会减小。基于反射型物体的高阶周期衍射关联成像方案（删除）所提出的新方案与传统热光关联成像相比,光源大小可控,成像装置简单灵活,这为关联成像的实用化提供一种可参考方法。     

用夫朗和费衍射法测定微粒直径的准确度

本文认为文献 [1]的结论是错误的。作者从标量衍射理论的瑞利 - -索末菲公式出发 ,导出了描述通过照明波发散中心并与衍射屏平行的观察面所接受到的衍射花样的夫朗和费衍射公式及其成立条件。并将上述公式应用到二维随机分布的微粒系统 ,从而导出了描述此系统相应的夫朗和费衍射花样的光强公式及粒径测量公式。指出当用夫朗和费衍射法测量微粒直径时 ,只要应用文中导出的在大衍射角情形下亦成立的测量公式 ,便能得到正确的结果 ,并不存在文献 [1]所提出的随衍射角增大而增加的系统误差。相反 ,对于偶然误差而言 ,当衍射距离不变时 ,随着衍射角的增加 ,偶然误差反而减小 ,测量的准确度增加     

一种测量非球面面形的新方法

本文发展了一种激光-CCD衍射谱分析系统,利用衍射谱位相恢复方法测量非球面光学件的面形。本文的方法不需要产生非球面参考波前,这就避免了通常干涉方法测量非球面的特殊困难。     

高功率激光束在空间滤波器中的传输特性

利用数值方法研究了高功率激光束通过空间滤波器形成低频调制的规律。结果表明,空间滤波器引起光束填充因子的下降与空间滤波器的衍射极限倍数m 之间存在的敏感的关系。m值的微小调整可以极大地改善整修光束的填充因子,减少光束的调制对比度,从而改期光束质量。这种结果可对高功率 激光系统总体设计中空间滤波器元件参数的选择提供有益的参考依据。     

柯林斯公式的逆运算及其在波面重构中的应用

给出描述光波通过傍轴光学系统衍射的柯林斯公式及其逆运算表达式，然后将数字全息检测研究中的物平面及CCD探测平面视为ABCD系统的输入平面及输出平面，提出通过柯林斯公式的逆运算进行波面重构的一种计算方法。为便于该方法的实际应用，研究了参考光是球面波时全息图的频谱结构，并从理论上证明，全息图的频率空问中存在可以通过滤波器分离的物光及共轭物光的频谱。最后．通过理论模拟及实验研究证明了使用柯林斯公式的逆运算重构波面的可能性。     

近衍射极限半导体激光束波面检测

在星间半导体激光通信系统中，如何检测发射光束波面的质量是个较难处理的问题，为了较好地解决这一问题，在简单介绍白光横向双剪切干涉仪的基础上，报道了用此干涉仪对近衍射极限半导体激光光束波面的检测，在此基础上推导出计算远场发散度的公式。实验测得近场光束的波高差为0．2A，通过夫朗和费衍射求得光束的发散度仅为64．8μrad，这表明光束接近光学衍射极限。同时，表明双剪切干涉仪灵敏度高、实用性好。     

星间激光通信中的波前传感技术

星间激光通信系统要求发射的激光光束具有高度的平行性。光学衍射极限是光束在有限孔径下所能达到的最小发散度，此时波面具有大约0．3λ的波面相差。针对星间激光通信波面检测领域，较全面地总结了各类现有检测方法及特点，并给出了一种新颖的互补剪切干涉法的结构与应用实例，最后针对星间激光通信光束波面检测的可行性进行了比较。