Способ измерения аберраций волнового фронта излучения

 

Использование: в прикладной оптике при сонтроле искажений врлнового фронта лазе ного излучения и точности изготовления оптических деталей. Сущность: получают сдвиговую интерференционную картину измеряемого волнового фронта наложением в плоскости регистрации 2-х его изображений , отличающихся взаимным увеличением в одном направлении и развернутых на угол, отличный от гит, Где п - ряд целых чисел. При этом наложение интерферирующих волновых фронтов производят при совмещении пары их соответственных точек в пределах интерференционной картины. Расшифровка полученной интерферограммы позволяет полностью и с высокой точностью, не зависящей от пространственного масштаба искажений волнового фронта, определить форму последнего. 2 ил.

союз соВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (s1)s G 01 J 9/02

ГОС

ВЕД (ГОС (21)а (22) .(46) (71) им. (72) (56) роль стра (54)

ВОЛ (57) при лазе

АРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

МСТВО СССР

АТЕНТ СССР) ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

833375/25

0.05.90

7.02.93, Бюл, N 5 осударственйый оптический институт .И.Вавилова .Ю. Снежко в

Оптический производственный конт./Под ред, Д.Малакарн. M. Машиноние, 1985; с, 23-29, 42-63. вторское свидетельство СССР

44473, кл. G 01 В 9/02, 1983.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АБЕРРАЦИЙ

НОВОГО ФРОЙТА ИЗЛУЧЕНИЯ спользовэйие: е прикладной оптике онтроле искажений волнового фронта ного излучения и точности йзготовлезобретение относится к технической физ ке, преимущественно к оптике. Оно может ыть использовано при решении задачи интерферометрического контроля искажений олнового фронта (ВФ) лазерного излучен я, а также для контроля точности изго овления оптических деталей. аиболее эффективный способ интерфер(метрического контроля ВФ основан на получении интерференции измеряемого

ВФ когерентным ему эталонным ВФ. Такой пособ реализуется, например, в интерфер етрах Физо и Тваймана-Грина . При этом форма интерференционных полос на регистрируемой интерференционной картине (Р ФК) прямо отображает топографию поверхности контролируемого ВФ, т,е, его волновой аберрации. недостатком такого способа измерения

ВФ вляется то, что его нельзя применить в ряде важнейших случаев, а именно: когда

I ния оптических деталей. Сущность: получают сдвиговую интерференционную картину измеряемого -волнового фронта наложением в плоскости регистрации 2-х его изображений, отличающихся взаимным увеличением в одном направлении и развернутых на угол, отличный от йХ, где и — ряд целых чисел, При этом наложение интерферирующих волновых фронтов производят при совмещении пары их соответственных точек в пределах интерференционной картины. Расшифровка полученной интерферограммы позволяет полностью и с высокой точностью, не зависящей от пространственного масштаба искажений волнового фронта, определить форму последнего. 2 ил, использование когерейтного измеряемому излучения с эталонным ВФ практически исключено, либо получение которого связано с большими техйическими трудностями, Такая ситуация, в частности, имеет место при контроле ВФ собственного лазерного излучения, когда источник когерентного ему эталонного лазерного излучения попросту отсутствует. В таких случаях для измерения

ВФ используют так называемые методы сдвигОвой интерферометрии, в которых используется интерференция измеряемого В Ф с той или иной модификацией этого же ВФ.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенному способу контроля аберраций ВФ излучения является способ переменного поперечного сдвига, в котором аберрации определяют при расшифровке интерферограммы, получаемой наложением двух одинаково ориентированных изображений измеряемого

1793273

ВФ, отличающихся лишь взаимным увеличением размеров их апертур в одном заданном направлении в плоскости регистрации и не имеющих взаимного сдвига в ортогональном направлении.

Способ позволяет с высокой точностью измерять форму и ориентацию профилей ВФ в его сечениях, параллельных заданному направлению относительно увеличения интерферирующих фронтов. Это в совокупности с простотой реализации способа остигаемой при использовании в интерференционной схеме диспергирующих оптических элементов), безусловно, является достоинством способа.

Целью предлагаемого изобретения является повышеййе информэтивйости изме: рений, Поставленная цель достигается тем; что в способе измерения аберраций волнового фронта излучения, в котором формируют сдаиговую ИФК положением 2-х изображений измеряемого ВФ, отличающихся взаимным увеличением размеров в плоскости регистрации интерферограммы а одном направлении, и производят расшифровку

ИФК, интерферирующие волновые фронты в нем взаимно разворачивают в плоскости регистрации на yukon, отличный от пл, где и — целые числа, а наложение волновых фронтов осуществляется при совмещении одной из пар соответственных точек в пределах ИФК, На фиг. t показан пример формирования по предложенному способу интерферограммы ВФ с прямоугольной апертурой при относительном увеличении интерфери рующйх фронтов m х = 2 и угле взаимного их разворота у= 90, где внешний контур мейьшего интерферирующего ВФ 1, внешний контур большего интерферирующего ВФ, увеличенного по сравнению с

ВФ 1 в ех = 2 раз в направлений и развернутого на уголь-90 2, внешний контур большего ВФ до его разворота на угол у 3: оси ортогональной системы координат, принадлежащей ВФ 1 ОХ. 0У; оси координат, принадлежащие ВФ 2 и соответственные осям OX u OY ВФ 1 OX. 0Y; точка интерферограммы, где единственная пара соответственных точек волновых фронтов 1 и 2 совмещена и для удобства выбрана в качестве начала системы координата XY и Х YI О; точки, принадлежащие соответственно волновым фронтам 2 и 3 и соответственные точка Ао волнового фронта 1 Ао, А; часть группы точек интерферрограммы, поочередно соответственных точек А (пунктирные контуры в пределах интерферограммы обозначают границы поочередно соответственных ей зон интерферирующих

Волновых фронтов) А, Аз...

5 На фиг, 2 изображен вариант интерференционной схемы, формирующей ИФК по предложенному способу, где йзмеряемый пучок излучения 1; дифракционная решетка 2; дифрагированные решеткой 2 пучки излучения, используемые для получения интерференции 3,4; плоские зеркала, осуществляющие разворот пучка излучения вокруг его оси нэ

15 заданный угол 5,6; плоское зеркало 7; светоделитель (границы сечений пучков излучения условно показаны пунктирным линиями, а область интерференции заштри20 хована) 8.

Для измерения аберраций ВФ предложенным способом а плоскости регистрации формируют сдвиговую ИФ К наложением 2-х волновых фронтов 1 и 2, являющихся изображениями измеряемого ВФ, Обэ интерферирующих ВФ 1 и 2 отличаются один от другого лишь масштабом относительного увеличения ах Ф 1 в одном заданном направлении х в плоскости регистрации. Указанные фронты взаимно наложены для интерференции с относительным разворотом в плоскости регистрации нэ угол у Ф и т, где n = 0,1,2... (целые числа). Контуры большего ВФ до его разворота относительно меньшего обозначены на фиг. 1 цифрами

3. При этом наложение ВФ 1 и 2 производят при совмещении одной из пэр соответственных точек обоих интерферирующих фронтов в пределах ИФК. На фиг. 1 этой

"0 точкой является точка 0 начала ортогональных и соответственных систем координат

XY u X Y принадлежащих соответственно

I I меньшему 1 и большему 2 интерферирующим фронтам. (Соответственными точками

45 интерферирующих фронтов а сдвиговой ин терферометрии принято называть точки, соответствующие одной и той же точке измеряемого ВФ. Например. точка Ао волнового фронта 2 является соответственной

50 точке Ао волнового фронта 1), Полученная таким образом сдвиговая

ИФК позволяет при ее расшифровке найти значение фазы в любой точке ВФ, т.е. полностью определить форму ВФ, э значит, аберрации. Для расшифровки такой ИФК могут быть использованы различные алгоритмы, которые могут быть разработаны по аналогии с алгоритмами, используемыми для расшифровки других сдвиговых типов

1793273

10 интерференционных картин. Однако изве1 тные алгоритмы расшифровки сдвиговых 4ФК сложны, поскольку основным этапом в них является разложение функции дополнительной разности фаз интерферирующих ВФ в ряд простейших функций, что является трудоемкой операцией, требующей применения вычислительной техники. Известен акже простой алгоритм расшифровки сдвиовых ИФК, изложенный в способе-прототипе, однако в том виде, в котором последний изложен, он не пригоден для расшифровки интерферограмм предложенн ого типа.

На основе указанного алгорйтма автоом разработан простой метод расшифровки

ЙФК предложенного типа, справедливость оторого была проверена им как теоретйчеки, так и экспериментально, I

Алгоритм формулируется следующим образом: величина волновой аберрации

Й/(А) в заданной точке А измеряемого ВФ

1 авна сумме измеренных по ИФК значений ополнительных разностей фаз ((А ) интерерирующих фронтов в последовательноти точек Аь первая из которых Ао оответствует расположению на ИФК за. анной точки А измеряемого ВФ, а каждая оследующая точка интерферограммы явяется соответственной предыдущей точке, с читая предыдущую точку принадлежащей большему интерферирующему ВФ, а послеующую — меньшему. То есть для нахожде ия фазы ВФ в любой точке не требуется выполнение сложных математических преЙразований, а лишь выполнение операций

eI|Mìèpîâàíèÿ, что позволяет существенно .у корить процесс расшифровки ИФК, в част ости при использовании алгоритма и выч слительной технике. Само же определение дополнительной разности фаз в заданной т чке ИФК является традиционной и обязательной процедурой в интерферометрии, Из изложенного алгоритма следует, что и кажения функции фазы ВФ (т.е. волновая а берация) складывается из искажений функций, первая из которых является функцией разности фаэ, найденной по всей пло4 ади ИФК, а каждая последующая— функцией разности фаз, найденной на участке (зоне) ИФК (границы ряда которых пбк заны на фиг. 1 пунктирными линиями в пределах ИФК), соответственной предыдуФормула изобретения

Способ измерения аберраций волнового фронта излучения, в котором формируют щей зоне, а затем увеличенных и развернутых до совпадения с размером аггертуры измеряемого ВФ, Поскольку размеры таких поочередно соответственных зон с ростом их номера 1 сокращаются вокруг центра 0 относительного разворота интерферирующих фронтов 1 и 2, то и относительные искажения функции разности фаз р с ростом ее номера убывают, Поэтому, начиная с некоторого i = К, вкладом искажений остаточных членов ряда можно пренебречь, тем самым разумно ограничить число суммируемых членов, чем еще более упростить расшифровку интерферограммы.

15 Из рассмотренного алгоритма ясна важность выполнения условия совмещения одной из пар соответственных точек, т.к. при этом любая из групп поочередно соответственных точек ИФК в пределе "сходится" (с

20 увеличением номера точки) к указанной единственной точке (центру) ИФ К, А значит, фаза В Ф всегда определяется относительно . указанной центральной точки ВФ, т.е, определяется и вся поверхность ВФ. Несоблю25 дение укаэанного условия привело бы к . тому, что различные поочередно соответственных точек группы не были бы между собой связаны строго, а тем самым ВФ не был бы, строго говоря, определен.

30 Сравнение физической сущности изложенного алгоритма расшифровки предложенной ИФК и алгоритма расшифровки

ИФК в прототипе позволяет сделать вывод о том, что точность контроля фазы ВФ в

35 обоих способах практически одинакова. Однако при использовании предложенного способа следует помнить, что чувствительность способа к неосесимметричным аберрациям (например, к астигматизму) зависит

40 от угла у (максимальна при у = л /2 + и л и уменьшается с приближением у К пк ), Необходимо отметить также, что предложенный способ допускает использование в качестве интерферирующих фронтов как

45 прямых, так и зеркальносимметричных изображений измеряемого ВФ, что позволяет при реализации способа применять для разворота пучка вокруг оси на заданный угол у простейший оптический элемент — двугран50 ный уголковый отражатель, отраженный от которого пучок, как известно, кроме разворота приобретает и зеркальную симметрию. сдвиговую интерференционную картину наложением двух изображений волнового фронта, линейные размеры. которых по одной координате различны, и производят

1793273 расшифровку интерференционной картины, относительно другого изображения на угол, отличающийся тем, что, с целью отличный от ri a, где п — целые числа, а повышения информативностй измерений, наложение волновых фронтов осуществляодно интерферирующее изображение вол- ют при совмещении одной из пар их соотнового фронта Разворачивают в плоскости 5 ветственныхточек. регистрации интерференционной картины

1793273

ФЛГ.2

Составитель Г.Воробьева

Техред М.Моргентал - Корректор ЛЛукач

Редактор f

Производственно-издательский комбинат "Патент"; г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 497 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по йэобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., 4/5