光纤点衍射干涉仪的技术研究

　　1　引　　言

　　光学技术的不断发展,要求光学仪器的精度不断提高,为了满足这种高精度的要求,光学设计对光学元件的面形精度提出了更高的要求,随着加工技术的发展,高精度的面形加工很大程度上受到检测能力的限制,没有高精度的检测设备,就无法知道加工的结果,所以提高光学检测的能力是提高光学仪器精度的重要因素。在极紫外光刻中对一些球面要求有很高的面型精度,约为0.25nmRMS～1nmRMS。换算成可见光波长(632.8nm)约为λ/2400～λ/600RMS。在x-ray太阳望远镜中,一些球面要求有1.25nmRMS～5nmRMS的精度,对应于可见光为λ/500～λ/120RMS。对于这些球面的检测,若用工作波长来测量,则造价高,实现困难,常适用于评价镀多层膜后元件或衍射极限系统。若用可见光波长测量,则造价相对低,实现容易,操作简单,它适用于评价基片或分辨率不高的系统。但是,现有的商用可见光干涉仪检测所能达到的精度:平面λ/100RMS,球面λ/60RMS,它的误差主要来源于标准面本身的误差。本文从点衍射的原理出发,在当前先进的光纤工艺技术的基础上,提出光纤点衍射干涉仪思想。

　　2　实验方案

　　点衍射干涉仪的基本原理是用小孔产生接近理想的波前与被测波前干涉,形成条纹,从而测出被测波前的质量,如图1所示[1],使用中被检的会聚波前通过中间带有一个小孔的半透平板,小孔的直径约为会聚波前爱里斑的大小,会聚波前一部分透过平板,另一部分经小孔衍射形成一近似理想的球面波,这两部分相干形成条纹。它结构简单,操作容易。但是平板和圆孔制作困难,而且只能检测透过的会聚波前,所以只适合检测整个光学系统的质量。

　　光纤点衍射用光纤代替小孔,来产生球面波,比小孔更容易操作,它能用来检测凹球面,所以它更实用。在实验中,所设计的光路见图2。由激光器发出的光经过分光镜,分成两束分别耦合到参考光纤和检测光纤中,其中检测光纤的光经凹球面反射到参考光纤端面,和它发出的光形成干涉,由CCD相机接收输入计算机。

　　分光镜选择分光比大约4:96,参考光纤端面镀50%的反射膜。计算两部分光到达CCD上的光强:设激光的光强为I,反射镜近似为全反射,透镜光纤的耦合效率为η,则由参考光纤到达CCD的光强I1为:

　　一般地,未镀膜的被测镜的反射率为4%,所以由检测光纤到达CCD上的光强I2为:

　　由以上两式可以看出光强刚好匹配。分别耦合到两光纤中的光强还可通过光纤耦合器来调整,实现光强匹配。

　　图2中,激光进入光纤以前,要经过分光镜和耦合透镜,这些光学元件的面形误差不会影响最终输出波前的质量,这是因为光纤的纤芯很细,它本身就相当于一个空间低通滤波器,面形误差引起的杂光进不了光纤。但是,如果面形误差引起的杂光太多,就会使进入光纤的光强变弱,降低耦合效率,所以为提高耦合效率,这些面形误差不宜太大。