НИЗКОКОГЕРЕНТНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР С ДИФРАКЦИОННОЙ ВОЛНОЙ СРАВНЕНИЯ И ИСТОЧНИК ДВУХ СФЕРИЧЕСКИХ ЭТАЛОННЫХ ВОЛН ДЛЯ НЕГО Российский патент 2015 года по МПК G01B9/02 

Изобретение относится к технической физике, в частности к инструментам для исследования и измерения оптических элементов и систем, и может быть использовано в технической диагностике, например, для контроля параметров и хода технологических процессов. Изобретение может применяться, в частности, при изготовлении оптических элементов для установок проекционной фотолитографии, микроскопии, телескопических и лазерных систем, а также для их юстировки, контроля и поддержания рабочих параметров.

К настоящему моменту сложились основные технические подходы к изготовлению и использованию интерферометров, применяемых для изготовления и контроля характеристик оптических элементов и систем. При этом интерферометры обеспечивают контроль аберрации волновых фронтов и отклонений формы поверхности оптических элементов на уровне λ/1000, где λ - рабочая длина волны интерферометра порядка 0,5 мкм. Такая точность измерений в интерферометрах достигается за счет использования в качестве эталонной сферической волны, возникающей при дифракции света на апертурах порядка длины волны. Ключевыми элементами таких интерферометров являются генераторы (источники) эталонной сферической волны, а также устройства перенаправления рабочего фронта, отраженного от исследуемого объекта и несущего информацию о его характеристиках, в детектор, где регистрируется изображение интерференционной картины, возникающей в результате интерференции эталонного и рабочего фронтов.

Эталонной сферической волной называют волну со сферической фазовой поверхностью и диаграммой направленности конечной ширины. Ширина диаграммы направленности приблизительно равна λ/d, где d - диаметр выходной апертуры источника. К настоящему моменту в целом решена задача повышения качества фронта эталонной сферической волны, которая ранее формировалась при отражении света от специальной поверхности (эталона) и, соответственно, воспринимала все искажения поверхности эталона, вследствие чего точность измерений таких интерферометров не превышала λ/50, где λ - рабочая длина волны интерферометра. Разработаны генераторы сферической волны на основе отверстий в непрозрачном экране, на основе кора одномодового оптического волокна или на основе зауженного до субволновых размеров одномодового оптического волокна.

Основным требованием к средству перенаправления рабочего фронта является отсутствие влияния его поверхности на форму рабочего фронта, для чего используют либо металлизированную пластину с отверстием, одновременно являющимся источником эталонной сферической волны, либо металлизированный торец волокна, кор которого одновременно является источником эталонной сферической волны, либо отдельное зеркало с острой кромкой, расположенное на близком расстоянии (10 мкм) от источника эталонной сферической волны.

При изучении пропускающей свет оптики применяются два источника эталонной сферической волны. Для их организации в состав интерферометра вводят делитель, обеспечивающий разделение пучка света на два когерентных между собой пучка. Для аттестации формы выпуклых и асферических поверхностей используются корректоры волновых фронтов, устанавливаемые между источником сферической волны и исследуемым объектом.

Для достижения необходимой точности измерений применяется фазовый режим регистрации интерферограмм, когда снимается серия интерферограмм, каждая из которых отличается от предыдущей тем, что контролируемым образом осуществляется фазовый сдвиг между рабочим и эталонным фронтами. Для достижения максимально высокого контраста интерференционной картины, необходимого для обеспечения требуемой точности измерений, в интерферометрах применяют поляризационные устройства, с помощью которых задается поляризация дифракционной волны. Регистрация интерферограмм осуществляется с помощью цифровой видеокамеры. По искривлению полос с помощью стандартных алгоритмов восстанавливают аберрации исследуемого объекта.

В интерферометрах могут быть использованы источники как низкокогерентного, так и высококогерентного света.

Известен интерферометр с дифракционной волной сравнения (см. патент США №7304749 на изобретение, опубл. 04.12.2007), содержащий источник света, источник двух эталонных сферических волн, состоящий из пластины с отдельными отверстиями, устройство фазовой модуляции, выполненное в виде дифракционной решетки, и регистратор интерференционного сигнала. Однако указанный интерферометр может быть использован только для изучения исследуемых объектов «на просвет», кроме того, возникает влияние аберраций первичной оптики и точности юстировки на аберрации ЭСВ. Необходимая при этом высокая точность юстировки затрудняет встраивание прибора в оптическое оборудование и другие устройства промышленного назначения.

Известен низкокогерентный интерферометр с дифракционной волной сравнения (см. патент США №6876456 на изобретение, опубл. 05.04.2005), содержащий низкокогерентный источник света, две части оптоволокна, делитель света, механическую линию задержки в одной части оптоволокна, устройство фазовой модуляции, два источника эталонной сферической волны. Для обеспечения фазовой модуляции эталонной волны длину оптического пути в одном из плеч интерферометра изменяют в соответствии с заранее заданным законом модуляции. Каждый источник эталонной сферической волны представляет собой срез кора оптического волокна. Недостатком данного интерферометра является его непригодность для изучения оптических элементов с небольшим коэффициентом отражения, так как интенсивность отраженного рабочего фронта мала. Кроме того, указанный интерферометр может быть использован только для изучения исследуемых объектов «на просвет».

Ближайшим аналогом разработанного низкокогерентного интерферометра с дифракционной волной сравнения является интерферометр, известный по патенту США №6344898 на изобретение (опубл. 05.02.2002). Ближайший аналог содержит источник низкокогерентного света, делитель света, источник двух эталонных сферических волн в виде отверстия в пластине, одно плечо интерферометра связано по сигналу с регистратором, а другое - с исследуемым объектом. Плоское зеркало в ближайшем аналоге служит для перенаправления пучка света от исследуемого объекта на регистратор. В одном из плеч установлена механическая линия задержки, обеспечивающая выравнивание оптических длин плеч интерферометра. Фазовую модуляцию эталонной волны обеспечивает устройство перемещения источника двух эталонных сферических волн.

Однако выполнение в ближайшем аналоге источника двух эталонных сферических волн в виде отверстия в пластине уменьшает рабочую апертуру за счет аберрации волновых фронтов при взаимодействии с краями отверстия, а также за счет аберрации фокусирующей оптики и неточности юстировки центра отверстия относительно осей проходящих через отверстия пучков света. Использование оптико-механического способа выравнивания плеч интерферометра приводит к увеличению размеров интерферометра, что затрудняет встраивание интерферометра в качестве элемента в промышленное оптическое оборудование.

Известен источник двух эталонных сферических волн (см. патент США №7304749 на изобретение, опубл. 04.12.2007), выполненный в виде двух отверстий разного размера и формы в пластине. Данный источник используется только в интерферометрах, позволяющих изучать оптику на просвет.

Известен источник двух сферических эталонных волн (см. патент США №6344898 на изобретение, опубл. 05.02.2002), выполненный в виде отверстия в зеркале, на которое (отверстие) с помощью линзы фокусируют низкокогерентные пучки. Данный источник используется только в интерферометрах, позволяющих изучать оптику на отражение.

Общими недостатками указанных источников являются сложность фокусировки света на отверстие, а также аберрированность дифракционной волны, что уменьшает рабочую апертуру источника.

Известен источник двух сферических эталонных волн (см. статья Diffraction methods raise interferometer accuracy. Gary Sommargren //Laser Focus World. 1996. V.8. P.61-71), который содержит два отрезка одномодового оптического волокна, конец каждого отрезка хорошо отполирован и металлизирован. Недостатком известного источника является сравнительно большой диаметр кора оптоволокна, что снижает рабочую апертуру и не позволяет исследовать отражающую оптику.

Ближайшим аналогом разработанного источника двух эталонных сферических волн является источник, известный по статье Е.Б. Клюенков, В.Н. Полковников, Н.Н. Салащенко, Н.И. Чхало «Коррекция формы оптических поверхностей с субнанометровой точностью. Проблемы, статус, перспективы» // Известия РАН. Серия физическая. Том 72. №2. 2008. С.205-208. Ближайший аналог содержит два отрезка оптического волокна, первые концы которых каждого являются входами источника, а второй конец каждого отрезка выполнен суженным с металлизированными до вершины скосами, что обеспечивает относительно небольшой размер генерирующей сферическую волну вершины отрезка.

Однако конструкция источника двух эталонных сферических волн требует для его встраивания в интерферометр последующей настройки и позиционирования относительно зеркала, перенаправляющего свет от исследуемого объекта на регистратор, а также применения двух прецизионных систем позиционирования, что увеличивает габаритные размеры источника и снижает надежность его работы. При этом конструкция источника такова, что как перед работой, так и в ходе работы требуется сложная настройка и проверка взаимного положения источников и других элементов интерферометра, что не позволяет использовать источник в интерферометрах, предназначенных для встраивания в качестве элемента в промышленное оптическое оборудование.

Таким образом, задачей, на решение которой направлена разработанная группа изобретений, является повышение точности измерений и надежности работы интерферометра, увеличение рабочей апертуры интерферометра, а также упрощение встраивания прибора в промышленное оптическое оборудование, одновременно со снижением риска сбоев в работе интерферометра из-за повреждений источника двух эталонных сферических волн при работе в технологических процессах и устройствах. Другой задачей, на решение которой направлена разработанная группа изобретений, является обеспечение возможностей изучения оптических элементов как на отражение, так и на просвет с любым (даже небольшим) коэффициентом отражения.

Сущность разработанного низкокогерентного интерферометра с дифракционной волной сравнения заключается в том, что он также, как ближайший аналог, содержит источник низкокогерентного света. Выход источника низкокогерентного света связан с входом делителя света. К выходам делителя света подключены две части оптоволокна. Первая часть оптоволокна связана по сигналу с регистратором. Первая и вторая части оптоволокна содержат, соответственно, первый и второй поляризационные контроллеры, а в первую либо во вторую части оптоволокна встроена линия задержки. Выходы первой и второй частей оптоволокна подключены ко входу источника двух эталонных сферических волн. Также низкокогерентный интерферометр содержит средство для перенаправления света от исследуемого объекта на регистратор.

Новым в разработанном низкокогерентном интерферометре является то, что источник двух эталонных сферических волн включает два отрезка оптического волокна, при этом первые концы каждого отрезка являются входами источника, а вторые концы выполнены суженными с металлизированными до вершины скосами. Вторые концы отрезков под углом друг к другу жестко закреплены в корпусе, при этом вершины отрезков зафиксированы в выходном отверстии на основной плоскости корпуса на расстоянии друг от друга, сравнимом с диаметром кора оптоволокна. Корпус снабжен крепежными элементами, а функцию средства для перенаправления света выполняет основная плоскость корпуса.

В частном случае крепежные элементы корпуса источника двух эталонных сферических волн выполнены в виде хомутов или цанг.

В другом частном случае интерферометр дополнительно снабжен позиционером для фиксации исследуемого объекта.

В другом частном случае интерферометр дополнительно снабжен корректором волнового фронта сферической волны, который устанавливается между исследуемым объектом и источником двух эталонных сферических волн.

В другом частном случае между регистратором и источником двух эталонных сферических волн установлена наблюдательная система, позволяющая согласовывать положения регистратора и двух эталонных сферических волн.

В другом частном случае по крайне мере одна из частей оптоволокна выполнена с возможностью изменения длины оптического волокна.

В другом частном случае по крайней мере одна из частей оптоволокна выполнена с оптической линией задержки.

В другом частном случае первая часть оптоволокна выполнена с регулятором интенсивности

В другом частном случае в качестве источника низкокогерентного света используется суперлюминесцентный диод

В другом частном случае между суперлюминесцентным диодом и делителем света установлен оптический затвор.

Сущность разработанного источника двух эталонных сферических волн заключается в том, что он также, как ближайший аналог, содержит два отрезка оптического волокна, первые концы каждого отрезка являются входами источника, а вторые концы выполнены суженными с металлизированными до вершины скосами

Новым в разработанном источнике двух эталонных сферических волн является то, что источник дополнительно содержит корпус, включающий жестко связанные первую и вторую части. В обеих частях корпуса выполнены соответственно первая и вторая части полости, причем вторая часть полости выполнена суженной к выходному отверстию на основной плоскости корпуса, по меньшей мере участок которой выполнен отражающим. Отрезки оптического волокна жестко закреплены в указанной полости, причем вторые концы отрезков жестко закреплены под углом друг к другу. Их вершины зафиксированы в выходном отверстии и отстоят друг от друга на расстоянии, сравнимом с диаметром кора оптоволокна.

В частном случае первая часть корпуса источника двух эталонных сферических волн выполнена в виде обоймы, а вторая часть корпуса выполнена в виде пластины, обращенной к первой части корпуса стороной, противоположной основной плоскости

В другом частном случае первая часть корпуса источника двух эталонных сферических волн выполнена в виде двух втулок, при этом вторая часть корпуса, выполненная в виде стакана за одно целое, охватывает первую часть.

В другом частном случае первая часть корпуса источника двух эталонных сферических волн выполнена из внешней и внутренней жестко связанных с помощью безусадочного клея частей, при этом внутренняя часть выполнена в форме двух втулок.

В другом частном случае вторая часть корпуса источника двух эталонных сферических волн выполнена из обладающего свойством анизотропного травления материала

В другом частном случае отрезки оптического волокна и концы отрезков жестко закреплены в полости корпуса с помощью безусадочного клея

В разработанном интерферометре выполнение источника двух эталонных сферических волн с корпусом, в котором жестко закреплены отрезки оптического волокна, обеспечивает уменьшение габаритных размеров интерферометра, делает интерферометр более мобильным, упрощает встраивание интерферометра в качестве и стационарного, и съемного элемента в промышленное оптическое оборудование. Использование основной плоскости корпуса источника в качестве средства для перенаправления света усиливает указанный результат. Жесткое закрепление отрезков оптического волокна в корпусе повышает надежность работы интерферометра и снижает риск повреждений источника и нарушения конфигурации интерферометра при работе интерферометра в технологических процессах. Применение низкокогерентного света и разработанного источника двух эталонных сферических волн увеличивает рабочую апертуру за счет использования центральных, наименее аберрированных, частей эталонной сферической волны и позволяет выровнять интенсивности рабочего и эталонного фронтов. Выполнение крепежных элементов корпуса источника двух эталонных сферических волн в виде хомутов или цанг упрощает встраивание прибора в промышленное оптическое оборудование. Введение в интерферометр позиционера обеспечивает фиксацию исследуемого объекта и гарантирует более высокую точность конфигурации интерферометра и повышение точности измерений. Применение в интерферометре корректора волнового фронта сферической волны дополнительно обеспечивает возможность измерения параметров выпуклых и асферических поверхностей, а также вогнутых с радиусами кривизны, большими, нежели характерный размер интерферометра. Дополнительное введение в интерферометр наблюдательной системы обеспечивает согласование положения и апертур регистратора, источника двух эталонных сферических волн и исследуемого объекта. Выполнение по крайне мере одой из частей оптоволокна с возможностью изменения длины оптического волокна позволяет осуществлять модулирование фазы в соответствующем плече интерферометра. Выполнение по крайне мере одой из частей оптоволокна с оптической линией задержки обеспечивает выравнивание оптических путей эталонного и рабочего плеч интерферометра, что позволяет адаптировать конструкцию интерферометра к различным исследуемым объектам. Выполнение первой части оптоволокна с регулятором интенсивности осуществляет выравнивание интенсивности двух эталонных сферических волн и обеспечивает изучение оптических элементов с любым (даже небольшим) коэффициентом отражения. Использование в качестве источника низкокогерентного света суперлюминесцентного диода позволяет дополнительно уменьшить габаритные размеры интерферометра, а введение в интерферометр оптического затвора снижает риск выхода из строя суперлюминесцентного диода отраженным светом.

В разработанном источнике двух эталонных сферических волн жесткое закрепление отрезков оптического волокна в полости корпуса делает источник менее чувствительным к повреждающим воздействиям. То, что вершины отрезков, с которых и излучается эталонная сферическая волна, зафиксированы в выходном отверстии на основной плоскости корпуса, исключает аберрации волновых фронтов при взаимодействии с краями отверстия, что увеличивает рабочую апертуру источника. Выполнение корпуса из частей, которые при соединении образуют полость, упрощает сборку элементов источника и обеспечивает необходимую точность фиксации вершин отрезков под необходимым углом и на необходимом расстоянии друг от друга. Закрепление отрезков под углом фактически и является основой использования одного источника взамен двух, в таком «сдвоенном» источнике возможно свести вершины отрезков на близкое расстояние (приблизительно равное одному или не более чем нескольким диаметрам кора оптоволокна), что повышает четкость интерференционной картины. Выполнение по меньшей мере участка основной плоскости отражающим позволяет применять источник двух эталонных сферических волн в низкокогерентном интерферометре с дифракционной волной сравнения в качестве средства для перенаправления света. Различные формы выполнения частей корпуса позволяют подбирать адекватную применяемым материалам конструкцию источника, а также подбирать клеящие и фиксирующие составы. Применение безусадочного клея и материала, обладающего свойством анизотропного травления, обеспечивает высокую надежность фиксации отрезков оптического волокна в корпусе наиболее подходящей для конкретного применения формы.

На фиг.1 приведена структурная схема низкокогерентного интерферометра с дифракционной волной сравнения по п.1 формулы изобретения.

На фиг.2 приведена структурная схема низкокогерентного интерферометра с дифракционной волной сравнения по пп.2-10 формулы изобретения.

На фиг.3 приведена структурная схема источника двух эталонных сферических волн сравнения по п.11 формулы изобретения.

На фиг.4 показаны возможные частные случаи выполнения корпуса источника двух эталонных сферических волн по пп.12, 13, 14 формулы.

Низкокогерентный интерферометр с дифракционной волной сравнения по фиг.1 содержит источник 1 низкокогерентного света и подключенный к нему делитель 2 света. К выходам делителя света, подключены первая 3.1 и вторая 3.2 части оптоволокна. В часть 3.1 встроена линия задержки 4 и первый поляризационный контроллер 5.1. В часть 3.2 встроен второй поляризационный контроллер 5.2. Часть 3.1 связана по сигналу с регистратором 6. Выходы частей 3.1 и 3.2 подключены ко входу источника 7 двух эталонных сферических волн. Источник 7 включает первый отрезок 8.1 и второй отрезок 8.2 оптического волокна, первые концы каждого отрезка являются входами источника 7. Вторые концы отрезков 8.1 и 8.2 выполнены суженными с металлизированными до вершин, соответственно, 9.1 и 9.2 скосами 10.1 и 10.2. Вторые концы отрезков 8.1 и 8.2 жестко закреплены в корпусе 11 источника 7. Вершины 9.1 и 9.2 зафиксированы в выходном отверстии 12 на основной плоскости 13 корпуса 11.

Низкокогерентный интерферометр с дифракционной волной сравнения по фиг.2 в части 3.1 дополнительно содержит оптическую линию задержки 14. В часть 3.2 дополнительно введен регулятор интенсивности 15 для выравнивания интенсивности оптического излучения с вершин 9.1 и 9.2. Также в части 3.2 дополнительно расположено устройство 16 фазовой модуляции, которую осуществляют путем изменения длины оптоволокна. Кроме того, интерферометр с дифракционной волной сравнения по фиг.2 снабжен позиционером 17 для фиксации исследуемого объекта 18. Между объектом 18 и источником 7 установлен корректор 19 волнового фронта сферической волны, излучаемой источником 7. Между регистратором 6 и источником 7 установлена наблюдательная система 20.

При использовании в качестве источника 1 суперлюминесцентного диода между ним и делителем 2 света устанавливают оптический затвор 21.

Источник 7 двух эталонных сферических волн по фиг.3. содержит два отрезка 8.1 и 8.2 оптического волокна, первые концы каждого отрезка являются входами источника 7. Вторые концы отрезков 8.1 и 8.2 выполнены суженными с металлизированными до вершин, соответственно, 9.1 и 9.2 скосами 10.1 и 10.2. Корпус 11 включает жестко связанные первую и вторую части 22, 23. В части 22 выполнена первая часть 24.1 полости 25, в части 23 выполнена вторая часть 24.2 полости 25. Часть 24.2 выполнена суженной к выходному отверстию 12. Вторые концы отрезков 8.1 и 8.2 жестко закреплены в полости 25. Вершины 9.1 и 9.2 зафиксированы в выходном отверстии 12.

Часть 22 по фиг.4а) выполнена в виде обоймы, а часть 23 выполнена в виде пластины, обращенной к части 22 стороной, противоположной плоскости 13.

Часть 22 по фиг.4б) выполнена в виде двух втулок 26.1 и 26.2, при этом часть 23 выполнена в виде стакана за одно целое и охватывает часть 22.

Часть 22 по фиг.4в) содержит внешнюю 27 и внутреннюю 28 части, при этом внутренняя часть 28 выполнена в форме двух втулок 26.1 и 26.2.

В качестве источника 1 низкокогерентного света могут использоваться лазеры, полупроводниковые светодиоды, лампы накаливания, однако суперлюминесцентный диод обладает значительно меньшим энергопотреблением и меньшими размерами.

В качестве источника 1 низкокогерентного света можно использовать суперлюминесцентный диод, интегрированный с одномодовым волокном, заканчивающимся оптическими разъемами марки FC-PC или FC-APC (Fiber Patch Cable). Марку диода выбирают с учетом рабочей длины волны интерферометра. Для рабочей длины волны 670 нм в качестве суперлюминесцентного диода выбирают диод SUPERLUM SLD-261-MP1-DIL-SM-PD (http://www.superlumdiodes.com/pdf/261mp.pdf).

При использовании суперлюминесцентный диод для снижения риска выхода из строя диода отраженным светом используют оптические затворы, например марки IO-F-660 - Fiber Isolator компании Thorlabs (http://www.thorlabs.de/thorproduct.cfm?partnumber=IO-F-660).

Делитель 2 служит для разделения света, выходящего из суперлюминесцентного диода, на два пучка, каждый из которых заводят в соответствующую часть 3.1 и 3.2 оптоволокна и образующих два плеча интерферометра. Делитель 2 представляет собой оптоволоконный делитель света, например, марки FC632-50B, компании Thorlabs (http://www.thorlabs.de/).

Линия задержки 4 обеспечивает выравнивание длины оптических путей обоих плеч с тем, чтобы на регистраторе 6 наблюдалась интерференция света. Линия задержки выполнена с использованием линейного позиционера, например компании Standa (http://standa.vicon-se.ru/). Участок оптоволокна разрывают, вышедший из одного торца свет с помощью объектива преобразуют в квазиплоский фронт, а на линейный позиционер устанавливают приемный объектив и второй торец оптоволокна. Свет, вышедший из первого торца, с помощью приемного объектива собирают на второй торец оптоволокна. Перемещение приемного объектива со вторым торцом приводит к изменению оптического пути. Линию задержки для выравнивания длин оптических путей плеч интерферометра возможно встраивать в любое плечо, но более целесообразно выполнять ее в опорном плече интерферометра, связанном с регистратором 6, так как оптическая длина другого (рабочего) плеча включает удвоенное расстояние от источника до исследуемого объекта.

Контроллеры 5.1 и 5.2 обеспечивают управление поляризационными характеристиками света на выходе из источника 7 и выполнены с возможностью осевой и поперечной деформации оптоволокна, например поляризационные контроллеры марок FPC030 или FPC560 или PLC-900 производства компании Thorlabs. За счет механических деформаций участка оптоволокна в нем обеспечивается наведенное двулучепреломление и, как следствие, формируется фазовая задержка волн с перпендикулярными поляризациями, распространяющимися внутри волокна. В зависимости от степени деформации на выходе из источника 7 можно получить линейно-, циркулярно- или эллиптически- поляризованную волну.

Регистратор 6 осуществляет регистрацию интерференционной картины, образованной в результате интерференции волновых фронтов: эталонного фронта от вершины 9.1 и рабочего фронта, отраженного последовательно от исследуемого объекта 18 и от отражающего участка основной плоскости 13, в качестве регистратора 6 может применяться цифровая видеокамера.

Устройство 16 осуществляет модуляцию фазы волны, падающей на исследуемый объект, путем изменения длины оптического волокна, например, закрепленного на пьезокерамическом цилиндре (за счет подачи напряжения на пьезокерамику производят изменение ее линейных размеров и, соответственно, изменение длины оптического волокна).

Корректор 19 волнового фронта сферической волны выполнен с учетом формы исследуемой поверхности либо в виде специально рассчитанной линзы по методикам, изложенным, например, в (Пуряев, Д.Т. Методы контроля оптических асферических поверхностей // М.: Машиностроение. - 1976. - С.13), либо в виде собирающего объектива.

Позиционер 17 используют для фиксации исследуемого объекта 18, выполнен в виде прецизионного пятикоординатного стола, обеспечивающего линейные перемещения по трем координатам и повороты по двум осям, например с использованием оптико-механических компонентов от компании Standa (http://standa.vicon-se.ru/).

Наблюдательную систему 20 устанавливают между регистратором 6 и источником 7 двух эталонных сферических волн. В частном случае наблюдательная система выполнена в виде объектива с линзой, преобразующей сферический фронт после объектива в квазиплоский фронт с апертурой не больше размера регистратора 6.

В случае когда длины линейного позиционера недостаточно для выравнивания плеч интерферометра (при исследовании объектов с большим радиусом кривизны), в плечо с линией задержки 4 устанавливают дополнительную оптическую линию задержки 14, представляющую собой отрезок оптоволокна с известной длиной. Параметры оптической линией задержки 14 выбирают в зависимости от свойств исследуемого объекта так, что длина дополнительно вносимого линией задержки оптического пути превышает радиус кривизны исследуемого объекта приблизительно вдвое.

Изменение интенсивности света производят в регуляторе 15 за счет механического изменения кривизны участка оптоволокна.

Источник 7 выполнен с применением одномодового оптического волокна, например марки 630НР, производства компании Thorlabs (http://www.thorlabs.de/navigation.cfm?Guide_ID=120), из которого изготовлены отрезки 8.1 и 8.2. Первые концы отрезков служат для заводки в них света напрямую через сколы или через оптические разъемы, например оптические разъемы марок FC-PC или FC-APC (Fiber Patch Cable). Вторые концы выполнены суженными с металлизированными до вершин 9.1 и 9.2 скосами 10.1 и 10.2, при этом вершины свободны от металлизации. Диаметр свободной от металлизации части существенно меньше длины волны, что обеспечивает достаточно однородную по интенсивности дифракционную сферическую волну почти во всем полупространстве. Дополнительно округлая форма вершин 9.1 и 9.2 снижает аберрацию волны, распространяющейся во внеосевом направлении, что в свою очередь увеличивает рабочую апертуру интерферометра. Способ изготовления оптоволокон с металлизированными скосами изложен в статье «Зонд сканирующего ближнепольного оптического микроскопа / В.Ф. Дряхлушин, А.Ю. Климов, В.В. Рогов, С.А. Гусев // ПТЭ. - 1998. - №.2. - С.138-139». Метод изучения аберраций сферической волны и способ отбора годных для источника сферической волны для интерферометра с дифракционной волной сравнения волокон описаны в работе «Chkhalo, N.I. A source of a reference spherical wave based on a single mode optical fiber with a narrowed exit aperture / N.I. Chkhalo, A.Yu. Klimov, V.V. Rogov, N.N. Salashchenko, and M.N. Toropov // Rev. Sci. Instrum. - 2008. - V.79. - P.033107».

Отрезки 8.1 и 8.2 закрепляют в полости 25 корпуса 11 так, чтобы свободные от металлизации вершины 9.1 и 9.2, размещенные в отверстии 12, были расположены вровень с основной плоскостью 13. Отрезки 8.1 и 8.2 могут быть закреплены в полости 25 с помощью безусадочного клея, например эпоксидного клея марки Araldite 2020. Отрезки 8.1 и 8.2 фиксируют в полости 25 так, что вершины 9.1 и 9.2 отстоят друг от друга на расстоянии, отличающемся от диаметра кора оптоволокна менее, чем на порядок, а в пределе вершины 9.1 и 9.2 отстоят друг от друга на расстоянии, примерно равном диаметру кора оптоволокна.

Корпус 11 может быть выполнен из латуни, по меньшей мере участок основной плоскости 13 покрыт никелем или молибденом электролитическим способом и хорошо отполирован. Полировку основной плоскости 13 производят по стандартной технологии, например, описанной в «Окатов, М.А. Справочник технолога-оптика / М.А. Окатов, Э.А. Антонов, А. Байгожин и др.; Под ред. М.А. Окатова // СПб.: Политехника. - 2004. - 679 с.». Первую часть 24.1 полости 25 получают точением на токарном станке. А часть 24.2 получают, например, методом электроэррозии.

В другом случае вторая часть корпуса представляет собой кремниевую пластину с металлизированной поверхностью, выполняющую функцию перенаправления света. Часть 24.2 и отверстие 12 в кремниевой платине формируется методом анизотропного химического травления, например по технологии, описанной в «Травление полупроводников [сборник статей]. Пер. с англ. С.Н. Горина. М.: Мир, 1965».

Низкокогерентный интерферометр с дифракционной волной сравнения по фиг.1 работает следующим образом.

До начала работы регистратор 6, источник 7 и исследуемый объект (на чертеже не показан) взаимно ориентируют так, чтобы:

- рабочий лепесток диаграммы волны с вершины 9.1 был направлен на регистратор 6;

- рабочий лепесток диаграммы волны с вершины 9.2 был направлен на исследуемый объект.

Свет от источника 1 заводят в делитель 2. С помощью делителя 2 низкокогерентный свет разделяют и заводят его в части 3.1 и 3.2. Распространяясь в первой части 3.1, свет попадает в линию задержки 4, где изменяется длина пути света таким образом, что оптические пути в обоих плечах выравниваются. Далее свет проходит через контроллер 5.1, где приобретает необходимые поляризационные характеристики (циркулярную, эллиптическую или линейную поляризацию). В части 3.2 свет проходит через контроллер 5.2, где приобретает необходимые поляризационные характеристики (циркулярную, эллиптическую или линейную поляризацию).

Далее поляризованное излучение из части 3.1 поступает в отрезок 8.1 источника 7 и дифрагирует на свободной от металлизации вершине 9.1. Поляризованное излучение из части 3.2 поступает во второй отрезок 8.2 источника 7 и дифрагирует на свободной от металлизации вершине 9.2. Волна с вершины 9.2 отражается от исследуемого объекта (на чертеже не показан), затем с помощью основной плоскости 13 корпуса 11 волну от исследуемого объекта перенаправляют в сторону регистратора 6, где он интерферирует с волной с вершины 9.1. Интерференционную картину регистрируют на регистраторе 6. По серии снятых интерферограмм с помощью стандартных процедур, например, описанных в монографии «Malacara, D., ed. (1992). Optical shop testing, 2nd ed., John Wiley&Sons, Inc., ISBN 0-471-52232-5, New York», восстанавливают фазу рабочего фронта и, соответственно, определяют отклонения поверхности исследуемого объекта от заданной формы или его волновые аберрации.

Низкокогерентный интерферометр с дифракционной волной сравнения по фиг.2 работает аналогично интерферометру по фиг.1.

Источник двух эталонных сферических волн по фиг.3 работает следующим образом. Свет через оптический разъем или напрямую через сколы заводят в первый 8.1 и второй 8.2 отрезки оптического волокна. В указанных отрезках возбуждаются моды излучения, распространяющиеся в направлении вторых концов. За счет сужения вторых концов и металлизации их скосов 10.1 и 10.2 до вершин 9.1 и 9.2, соответственно, доходит только одна низшая (HE11) мода. На свободных от металлизации вершинах 9.1 и 9.2 волны выходят из отрезков 8.1 и 8.2. В результате дифракции света на краях металлизированных скосов 10.1 и 10.2 в пространстве распространяются две дифракционные волны, чьи фазовые поверхности в дальней зоне (дифракция Фраунгофера) представляют собой сферы. Отраженный от исследуемого объекта (на чертеже не показан) свет с помощью отражающего участка основной плоскости 13 перенаправляют в регистратор 6. Благодаря тому что в части 3.1 и 3.2 заводят низкокогерентный свет, на регистраторе 6 не наблюдается паразитная интерференция.

Использование разработанного изобретения для изучения объектов на просвет может быть следующим. За исследуемым объектом 18 устанавливается отражающая сферическая поверхность. Сферическая волна с вершины 9.2 проходит через исследуемый объект, отражается от сферической поверхности и проходит по тому же пути в обратном направлении через исследуемый объект. С помощью отражающего участка основной плоскости 13 отраженный свет перенаправляют в регистратор 6.

Изобретение относится к технической физике, в частности к инструментам для исследования и измерения оптических элементов и систем. Низкокогерентный интерферометр с дифракционной волной сравнения содержит источник низкокогерентного света, делителя света, к выходам которого подключены две части оптоволокна, функцию средства для перенаправления света от исследуемого объекта на регистратор выполняет основная плоскость корпуса источника двух эталонных сферических волн. Источник двух эталонных сферических волн включает два отрезка оптического волокна, концы которых выполнены суженными с металлизированными до вершин скосами, при этом вторые концы отрезков оптического волокна жестко закреплены в корпусе под углом друг к другу, вершины отрезков зафиксированы в выходном отверстии на основной плоскости корпуса и отстоят друг от друга на расстоянии, сравнимом с диаметром сердцевины оптоволокна. При этом корпус снабжен крепежными элементами, а функцию средства для перенаправления света выполняет основная плоскость корпуса. Технический результат - повышение точности измерений и надежности работы интерферометра, а также увеличение рабочей апертуры интерферометра. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Низкокогерентный интерферометр с дифракционной волной сравнения, содержащий источник низкокогерентного света, выход которого связан с входом делителя света, к выходам которого подключены связанная по сигналу с регистратором первая часть оптоволокна с первым поляризационными контроллером и вторая часть оптоволокна со вторым поляризационным контроллером, источник двух эталонных сферических волн, входы которого подключены к выходам первой и второй частей оптоволокна, и средство для перенаправления света от исследуемого объекта на регистратор, при этом в первую или во второю часть оптоволокна встроена линия задержки, отличающийся тем, что источник двух эталонных сферических волн содержит два отрезка оптического волокна, у каждого из которых первые концы являются входами источника, а вторые концы выполнены суженными с металлизированными до вершин скосами, при этом вторые концы отрезков оптического волокна жестко закреплены в корпусе под углом друг к другу, вершины отрезков зафиксированы в выходном отверстии на основной плоскости корпуса и отстоят друг от друга на расстоянии, сравнимом с диаметром кора оптоволокна, кроме того, корпус снабжен крепежными элементами, а функцию средства для перенаправления света выполняет основная плоскость корпуса.

2. Низкокогерентный интерферометр по п.1, отличающийся тем, что крепежные элементы корпуса выполнены в виде хомутов или цанг.

3. Низкокогерентный интерферометр по п.1, отличающийся тем, что интерферометр дополнительно снабжен позиционером для фиксации исследуемого объекта.

4. Низкокогерентный интерферометр по п.1, отличающийся тем, что интерферометр дополнительно снабжен корректором волнового фронта сферической волны.

5. Низкокогерентный интерферометр по п.1, отличающийся тем, что между регистратором и источником двух эталонных сферических волн установлена наблюдательная система.

6. Низкокогерентный интерферометр по п.1, отличающийся тем, что по крайне мере одна из частей оптоволокна выполнена с возможностью изменения ее длины.

7. Низкокогерентный интерферометр по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере одна из частей оптоволокна выполнена с оптической линией задержки.

8. Низкокогерентный интерферометр по п.1, отличающийся тем, что первая часть оптоволокна выполнена с регулятором интенсивности.

9. Низкокогерентный интерферометр по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника низкокогерентного света используется суперлюминесцентный диод.

10. Низкокогерентный интерферометр по п.9, отличающийся тем, что между источником низкокогерентного света и делителем света установлен оптический затвор.

11. Источник двух эталонных сферических волн, включающий два отрезка оптического волокна, при этом первые концы каждого отрезка являются входами источника, а вторые концы выполнены суженными с металлизированными до вершин скосами, отличающийся тем, что он дополнительно содержит корпус, содержащий жестко связанные первую и вторую части, в которых выполнены, соответственно, первая и вторая части полости, причем вторая часть полости сужена к выходному отверстию на основной плоскости корпуса, по меньшей мере участок которой выполнен отражающим, вторые концы отрезков оптического волокна жестко закреплены в указанной полости под углом друг к другу, причем вершины отрезков зафиксированы в выходном отверстии на основной плоскости корпуса и отстоят друг от друга на расстоянии, сравнимом с диаметром кора оптоволокна.

12. Источник двух эталонных сферических волн по п.11, отличающийся тем, что первая часть корпуса выполнена в виде обоймы, а вторая часть корпуса выполнена в виде пластины, обращенной к первой части корпуса стороной, противоположной основной плоскости.

13. Источник двух эталонных сферических волн по п.11, отличающийся тем, что первая часть корпуса выполнена в виде двух втулок, при этом вторая часть корпуса, выполненная в виде стакана за одно целое, охватывает первую часть.

14. Источник двух эталонных сферических волн по п.11, отличающийся тем, что первая часть корпуса выполнена из внешней и внутренней жестко связанных с помощью безусадочного клея частей, при этом внутренняя часть выполнена в форме двух втулок.

15. Источник двух эталонных сферических волн по п.11, отличающийся тем, что вторая часть корпуса выполнена из обладающего свойством анизотропного травления материала.

16. Источник двух эталонных сферических волн по п.11, отличающийся тем, что отрезки оптического волокна и концы отрезков жестко закреплены в полости корпуса с помощью безусадочного клея.