斐索式红外干涉仪研制和测试技术研究

研制了斐索式红外干涉仪,口径为120mm,配置F/1,F/4标准球面锗透镜,用于检测红外非球面透镜的非球面面形和波像差质量。干涉仪中采用两个红外探测器分别形成对点、测试两路成像光路,并配合光栅尺,实时监测标准镜和被测件的方位,解决了红外光不可见性带来的测试中装夹调整的困难。采用在线标定的方法,实现了大伸长量移相器的标定。使用干涉仪检测了红外非球面透镜的质量,并标定了系统误差。检测结果表明,干涉仪的测量精度均方根(RMS)值优于0.01λ,测量重复性RMS优于0.002λ。     

激光工作物质的高精度检验

一、引言 光学干涉仪是测量光学元件面形、评价透镜质量最常用的手段。七十年代人们将微型电子计算机及相位探测技术应用到干涉计量上,使干涉条纹的数据处理成为独立系统而将高精度光学元件的检验发展到一崭新阶段。美国贝尔实验室首先研制成带微型计算机的条纹扫描干涉仪,使干涉条纹的测量精度由λ/10提高到λ/50～λ/100。我们运用MarkⅢ型干涉仪测量了各种光学元件及光学材料的质量,对仪器的性能进行了分析和讨论。 二、实验结果和讨论 Mark Ⅲ型激光数字波面干涉仪是将位相测量技术应用于费索干涉仪上,利用实时相位同步检     

Ronchi剪切干涉光刻投影物镜波像差检测技术研究

Ronchi剪切干涉采用扩展光源调制光场空间相干性,具有干涉仪结构简单、共光路、零条纹检测等优点,适合用于光刻机投影物镜波像差原位检测。基于Ronchi剪切干涉的投影物镜波像差检测技术及系统,根据光栅衍射和空间相干性理论推导了Ronchi剪切干涉场的表达式。针对Ronchi剪切干涉仪多级衍射光寄生干涉对相位提取精度的影响,提出了一种十步相移算法,有效地消除±9级以内多级衍射的影响,理论上相位提取误差峰谷(PV)值为0.0046λ,均方根(RMS)值为0.0019λ,实验数据验证了理论推导的正确性和相位提取算法的有效性。     

猫眼波前定位虚实结合干涉非球面参数误差测量 (特邀)

非球面广泛应用于光学系统中。表征非球面的基本参数包括顶点曲率半径、圆锥系数以及高阶非球面系数,它们贯穿了非球面的设计、制造、检测、装调过程。对非球面参数的高精度测量是加工和装调的前提。提出了一种基于虚实结合干涉仪的部分补偿非球面参数误差测量系统。在该系统中,采用部分补偿干涉法测量剩余波前,复用干涉仪利用轴向扫描透镜的猫眼波前定位法测量补偿镜与被测镜之间的间距,采用虚实结合迭代算法进行参数误差求解。该系统仅需在部分补偿干涉光路中引入会聚透镜,装调简单,测量精度高。通过一个四次非球面参数误差测量实验验证了该方法的有效性和精度。     

用于高重复频率热容主振荡功率放大器激光系统的波前检测技术

高重复频率热容主振荡功率放大器(MOPA)激光系统的工作过程一般只持续几秒至几十秒,在此过程中系统输出光束的波前畸变是动态变化的。采用环路径向剪切干涉(CRWSI)技术对高重复频率热容MOPA系统波前畸变的变化过程进行检测,并对系统的总体结构进行了设计。搭建了一个简化的实验系统,采用平凹透镜来代替光放大器产生波前畸变,并由此对环路径向剪切干涉仪的测量精度进行了验证。结果表明,实验测量结果与理论计算值之间的峰值误差为7.8%(0.02λ)。     

十三步光栅横向剪切干涉相位复原算法

光栅横向剪切干涉仪能够实现超高精度检测光学系统的波像差,是当前光刻镜头研发的重要组成内容之一。零级串扰和相移误差是影响光栅剪切干涉仪检测精度的两个主要因素,为此,提出了一种十三步光栅剪切干涉相位复原算法,在消除零级串扰的同时,还能够极大地降低对相移误差的苛刻要求。分析表明,当相移误差不大于25°时,相位复原误差小于0.01°(即2.8×10-5λ)。对于λ=193.386nm,相位复原误差小于0.005nm。因此,通过系统误差校正,光栅剪切干涉仪检测光刻镜头系统波像差的精度能够达到亚纳米级。     

波带板法检测凹非球面的研究

非球面在光学系统中占有重要的地位,但其应用一直受到光学加工和检测技术的限制。波带板（Zone plate）法是对非球面进行检测的重要方法之一。文章详细介绍了波带板检测法的原理以及波带板的计算、制作过程,并针对在实际应用中,由于入射光和反射光两次通过波带板后有多级衍射光,导致不容易判别在什么位置才能方便观察,以及哪一组干涉图样才能正确反映反射镜信息这个问题,对整个检测过程进行了衍射模拟计算,为实验检测提供了参考。最后,通过实验检测,并与其它检测方法得到的结果进行比较,证明了所得结果的正确。     

高精度离轴非球面透镜的制造与检测

针对强激光系统所需大口径非球面元件高精度、批量化的加工需求,提出了一种气囊抛光技术与柔性沥青小工具抛光技术相结合的大口径非球面元件高效制造方法。采用气囊抛光技术进行非球面保形抛光和快速修正抛光,实现磨削缺陷层快速去除以及低频误差快速修正。采用柔性沥青工具匀滑抛光技术,在低频误差不被恶化的情况下,控制元件中高频误差。在抛光过程中,利用球面干涉仪搭建的自准直波前干涉检测系统和粗糙度仪对非球面元件进行全频段误差检测。基于上述加工与检测方法完成了430 mm430 mm口径离轴非球面透镜样件实验加工,实验结果为元件通光口径内透射波前PV=0.1,GRMS=5.7 nm/cm,PSD1 RMS=1.76 nm,PSD2 RMS=1 nm,Rq=0.61 nm,并且中频段功率谱密度曲线均在要求的评判曲线之下。实验结果表明,离轴非球面透镜样件全频段指标均达到了合格指标要求。所述制造方法也适用于其他类型大口径非球面光学元件的高精度加工。     

基于楔板剪切干涉的高斯光束远场发散角测量

为准确、方便地测量高斯光束远场发散角,提出了一种基于楔板剪切干涉的方法:将传统的双向剪切干涉仪进行改装,使能同时测出激光传输路径上两个不同位置处的波前曲率半径,并由曲率半径求出发散角.该方法解决了传统剪切干涉法只能定性判断光束准直状态而不能定量测量发散角的问题,实现了剪切干涉对基模高斯光束发散角的定量测量.实验测量误差和理论分析结果相符.误差分析表明影响发散角测量精度的主要因素为干涉条纹宽度测量误差.     

相移点衍射干涉仪的关键技术研究

相移点衍射干涉仪(PS/PDI)是应用于极紫外光刻投影物镜波像差在线检测的高精度检测设备。在介绍国际相关机构PS/PDI研究进展的基础上,重点阐述在干涉仪优化设计、高精度对准、系统误差标定以及干涉图像处理等PS/PDI关键技术研究方面取得的成果。以关键技术研究为基础,开发了一套可见光波段的PS/PDI原理实验装置,并利用该装置检测了极紫外光刻中典型的Schwarzschild投影物镜的波像差,自主开发的20倍缩小Schwarzschild物镜的数值孔径达到了0.2。实验结果表明,干涉仪的重复对准精度优于0.1μm,波像差的绝对检测精度均方根(RMS)误差达到了0.025λ(λ为检查光波长),重复检测精度RMS优于0.001λ,检测速度达到了20秒/视场点。     

光学元件面形的环路径向剪切干涉检测方法研究

提出了将环路径向剪切干涉(CRSI,Cyclic Radial Shearing Interferometry)术应用于光学元件面形检测的新方法.设计了基于环路径向剪切干涉检测光学元件面形的光路系统.根据环路径向剪切干涉法的波前重建算法,模拟计算了任意波前的重建情况,同时在基于开普勒望远系统的环路径向剪切干涉仪上实际测量了一个已知光学元件的面形.结果表明,文中提出的波前重建算法和采用的光路系统可用于实际光学元件面形的准确检测,系统的重复性也得到了研究.     

平行平板横向剪切干涉仪波前重建精度的研究

在基于平行平板双光路横向剪切干涉仪中,如果 两个方向的平行平板之间存在角度误差,将会使得 两个方向的剪切干涉图的剪切方向不正交,最终影响波前测量的准确度。本文通过仿真实验 研究了两个方 向平行平板之间不同大小的角度误差对波前重建精度的影响,分析了不同条件下Zernike多 项式系数拟合 精度、重建波前均方根(RMS)及均方根误差(RMSE)与角度误差之间的关系以 及角度误差一定时,重建波前 RMS及RMSE与剪切量之间的关系。研究结果表明,为了提高波前重建精度,要尽量降低两 个平行平板之 间的角度误差,使用更多项Zernike多项式来拟合波前,并且保证剪切量与波 面尺寸比值大于10%。本文的 结论对于平行平板横向剪切干涉仪的装调将会起到一定的指导作用。     

径向剪切干涉波前重建算法和不同倍数下重建精度的研究

提出一种新的基于循环式径向剪切干涉术的波前重建算法 ,以此模拟计算了不同放大倍数下波前的还原结果与还原精度 ,得出不同放大倍数下采用本算法都能还原出原始波前且还原精度相差不大的结论。同时在基于伽利略望远系统的循环式径向剪切干涉仪上测量了激光系统输出中存在台阶结构的畸变波前 ,得出了与此基本一致的结论。     

双平板剪切激光干涉仪

本文分析了采用激光源时,双平板横向剪切干涉仪的工作原理,给出了干涉仪参数选择,并用此干涉仪对激光束的波前进行了测试。     

基于偏振合束的相移雅满剪切干涉仪

相移雅满横向剪切干涉仪非常适合于达到衍射极限的光束的波面检测。为了改进现有的在两路剪切光束中直接插入起偏器的相移雅满剪切干涉仪,提出了一种基于偏振合束的相移雅满剪切干涉仪。该剪切干涉仪利用雅满平板前后表面的反射进行分束并形成两路干涉光束,两路干涉光束分别通过剪切平板后偏振合束并进行偏振移相。它保持了常规雅满剪切干涉仪的光路结构,提高了剪切干涉图的对比度,不再存在插入起偏器引入测量误差的问题。构建了改进前、后的两种相移雅满双剪切干涉仪,并进行了相应的对比实验,实验结果很好地验证了基于偏振合束的相移雅满剪切干涉仪的实用性。     

二维横向剪切干涉仪

一张剪切干涉图不足以描述一个波面.要重构一个任意形状的波面,必须用两张正交方向剪切的干涉图.本文研究了两种类型的二维横向剪切干涉仪:正交剪切棱镜型和网格光栅型.论述了用干涉图数据来重构波面的方法,并用这种方法处理了我们实验中所获得的干涉图.     

液晶光栅相控阵偏转波前测量方法研究

为了测试相控阵激光雷达的关键器件液晶光栅相控阵的偏转光束波前,以监控和评价雷达扫描光束的质量,采用带有光束变向功能的径向剪切干涉测量方法,进行了理论分析和实验验证,取得了口径为10mm×10mm的偏转波前测试系统与商用WYKO干涉仪的比对测试数据。两种仪器对同一块平面样板测出的波前之差的峰谷值小于λ/20,均方根值小于λ/200,还取得了实测液晶光栅相控阵不同偏转光束的波前数据。结果表明,该方法可以对液晶光栅相控阵的偏转波前进行高精度测试。     

利用液晶电视的位相调制特性补偿畸变波前

分析了液晶电视(LCTV)的位相调制特性,采用将液晶电视和能产生台阶波前畸变的位相物体同时置于环路径向剪切干涉(CRSI)装置入射光路中的方法,在液晶电视屏上输入可产生畸变波前对应的互补波前的灰度图。实现了台阶结构畸变波前的补偿。     

利用空域滤波虚光栅叠栅法提取干涉图波面

虚光栅叠栅条纹法是一种利用单幅干涉图提取波面信息的方法,为了解决叠栅条纹的滤波问题,提出了一种基于高斯函数的空域滤波法。利用高斯函数在空域中对叠栅条纹图进行模糊处理,滤除不需要的高频分量,仅保留包含波面相位信息的低频分量。重点研究了高斯函数滤波窗口的选择和干涉图的载频之间的对应关系。该方法具有计算量小、易于选取滤波窗口的优点。对一光学平面的面形测量结果表明,利用空域滤波虚光栅叠栅法提取的波面[峰谷(PV)值为0.080λ,均方根(RMS)值为0.020λ,λ=632.8nm]与利用Zygo GPI干涉仪的四步移相法得到的波面(PV值为0.079λ,RMS值为0.017λ)相吻合。