可见光二维小孔矢量衍射分析

现代精密光学系统的发展,对光学元件的加工和检测提出了非常严格的要求,达到纳米量级.相移式点衍射干涉仪是一种应用在纳米精度检测中的常用干涉仪,其参考波前由直径在几百纳米量级的小孔衍射产生,其衍射波前与理想波面的误差,决定了干涉仪的检测精度.基于有限元方法,计算了聚焦入射情况下,不同直径小孔的衍射波面.分析了聚焦斑发生对准...     

不同对准误差下的小孔衍射波面误差分析

点衍射干涉仪中小孔对准误差是影响衍射参考波面质量最主要的误差源。基于瑞利索末菲矢量衍射理论,建立了非傍轴高斯光束经小孔衍射的严格数学描述,对不同对准误差下的小孔衍射波面误差进行了分析,在分析中特别考虑了会聚光斑大小的影响。研究表明:小孔对准误差的引入使得衍射波面偏差迅速增大,且衍射波面偏差随对准误差的增大呈线性增长;相同对准误差下,衍射波面偏差随会聚光斑半径的增大而减小,要获得同等衍射波面偏差,允许的对准误差随会聚光斑的增大呈近同倍数增长。给出了0.5~3μm小孔在不同会聚光斑直径和小孔对准误差下的衍射波面误差分布数据,研究结果可为点衍射干涉仪中会聚透镜的选取、小孔对准精度要求的确定以及小孔衍射波面误差的估计提供重要参考数据。     

照明物镜像差对远场衍射波前质量影响的严格矢量分析

点衍射干涉仪(PDI)中衍射参考球面波的质量受照明物镜像差和小孔的质量、状态的影响。基于矢量衍射理论,分析计算了可见光经过带像差的照明物镜聚焦后经过有限厚度具有实际电导率小孔板的衍射。分析了照明物镜像差对远场衍射波前质量的影响,确定了PDI检测极紫外光刻(EUVL)元件和系统时的最佳直径大小。分析计算得出,当用PDI检测数值孔经(NA)为0.3的系统时,采用直径大小为800nm的小孔较为适宜,其衍射波前均方根(RMS)偏差为6.51×10-5λ,强度均匀性为0.812。当用PDI检测NA为0.3的元件时,采用直径大小为500nm的小孔较为适宜,其衍射波前的RMS非对称偏差为8.40×10-5λ,强度均匀性为0.664。     

微小孔偏差对远场波前质量影响分析

点衍射干涉仪(PDI)中小孔质量影响参考球面波的质量,加工和装调误差使实际小孔与理想圆孔之间产生了偏差.利用瑞利-索末菲衍射公式,对因小孔加工和装调误差产生的边缘粗糙小孔和椭圆小孔的远场衍射波前质量作了详细的分析.小孔边缘的粗糙度主要在衍射波前中引入了三叶形像差,小孔的椭圆度在衍射波前中引入了小量的像散.对于直径在0....     

极紫外三维小孔矢量衍射波面质量分析

相移点衍射干涉仪中参考球面波的质量取决于小孔的直径、圆度和厚度,其中小孔的直径是最主要的因素,在实际加工前,需给出小孔直径的要求。基于矢量衍射理论,分析计算了三维结构小孔的衍射。分析了在均匀的TE偏振光和TM偏振光入射情况下,小孔直径大小对衍射波面质量的影响。入射光的线性偏振,给衍射波面中引入了像散和彗差。分析计算得出,为了获得数值孔径(NA)为0.1,相对于理想球面波的均方根(RMS)偏差不大于0.005λ(λ=13.55 nm),强度均匀性为0.4的参考球面波,对90 nm厚的小孔选择直径大小为70 nm较为适宜。     

点衍射干涉检测技术

本文介绍了点衍射干涉仪不同发展阶段的特点和应用。点衍射干涉仪由波长量级的针孔产生高质量的球面波作为参考波前,能够得到衍射极限性能的分辨率。按照不同的光路特点,点衍射干涉仪可分为点衍射共路干涉和点衍射非共路干涉两种结构,主要应用于高精度波前检测和面形检测。共路干涉结构简单紧凑,对环境振动不敏感,对光源相干度要求不高,可利用光束偏振态及光栅衍射分束的特性对传统点衍射板进行改造,在全共路点衍射干涉仪中引入时间相位调制技术和干涉对比度可调技术,可进一步提高波前检测精度。采用反射式针孔和各种光纤结构发展了非共路点衍射干涉仪,实现了大口径、高精度球面反射镜面形的测量。本文重点阐述了用于极紫外光刻投影物镜中高精度球面反射镜面形检测的反射式针孔点衍射干涉仪,并展望了点衍射检测技术在生物检测等领域的应用前景和发展趋势。     

点衍射干涉系统光学结构参数优化研究

采用时域有限差分方法,在分析点衍射波前误差的前提下,讨论了点衍射干涉系统中物镜数值孔径、针孔尺寸、检测的数值孔径对衍射光强的影响;逐步优化光学结构参数,得到不同光学结构参数之间的匹配数值表;通过比较点衍射干涉系统和Zygo干涉仪对球面镜的测量结果,得到测量面形误差的均方根之差为波长的1/1000,且获得的干涉条纹具有合适的对比度和亮度,验证了光学结构参数选择的合理性。     

空域移相偏振点衍射波前检测技术

点衍射干涉仪结构简单、共光路、测量精度高, 空域移相干涉仪抗振性能优越, 两者在波前检测领域获得了广泛的应用. 本文采用激光打孔技术, 通过在金属纳米线栅偏振片上制备小孔, 制作了偏振点衍射板; 结合分光结构的空域移相技术, 搭建了空域移相偏振点衍射干涉仪, 并对一焦距为550 mm, F_#10的平行光管准直物镜透射波前进行测量, 与法国Phasics公司生产的商业化波前传感器SID4的测量结果相比较, 两者峰谷值相差0.09λ, 均方根值相差0.012λ ; 利用35项Zernike多项式拟合两者的测量结果, 将拟合得到的系数在同一坐标轴下绘制成两条曲线, 两者基本重合, 从而验证了所搭建的空域移相偏振点衍射波前检测装置的测试精度. 从而在传统点衍射干涉仪的基础上引入了空域移相技术, 实现了波前的高分辨率、高精度、实时检测, 并且提高了对振动、气流等环境因素的抗干扰能力.     

基于叠层衍射成像的二元光学元件检测研究

本文提出了一种基于叠层衍射成像(ptychography)的二元光学元件的检测方法,该方法可实现对二元光学元件表面微观轮廓的检测以及特征尺寸的标定.相比于传统的二元光学元件检测方法,其使用无透镜成像技术,简化了系统结构并可适用于特殊环境下的检测.该方法可直接通过采集多幅衍射图,利用叠层衍射成像迭代算法可精确地复原大尺寸待测元件的表面微观轮廓,提高大尺寸器件的检测效率.本文模拟仿真了台阶高度与噪声大小对纯相位台阶板复原结果的影响,并在光学实验中选取计算全息板为样品,复原样品的表面微观轮廓信息以及得到台阶高度.以白光干涉仪检测结果为标准,该方法在精度要求不太高的前提下,可获得令人满意的成像质量.     

基于光学设计软件的相移点衍射干涉仪建模

为了模拟用于球面面形高精度检测的相移点衍射干涉仪的测试过程,介绍了点衍射干涉仪的基本工作原理,分析了相移点衍射干涉仪的测量误差。利用光学设计软件和自行编制的软件建立了点衍射干涉仪的检测模型,利用该模型分别推导了参考光束和测试光束在干涉场的复振幅分布,模拟了测量过程。根据光的相干理论,通过改变被测镜的位置,实现移相,得到移相干涉图。最后对一设定的被检镜进行实验模拟,生成了两组对称倾斜的13步移相干涉图,对干涉图处理后计算得到了被检镜的检测面形。结果表明,在不引入硬件误差时,由相位提取和波面反演造成的检测面形与设定面形偏差为RMS值0.0783nm,PV值0.5656nm。     

合成孔径激光成像雷达(Ⅰ):离焦和相位偏置望远镜接收天线

把合成孔径激光成像雷达的目标衍射区分为三个区域,提出采用离焦或者附加空间相位调制板的光学接收望远镜补偿回波像差.当目标处于菲涅耳衍射区时可采用离焦或偏置望远镜补偿回波二次项离焦像差并产生用于孔径合成的二次项相位历程;目标处于夫琅和费衍射区时可以采用离焦或偏置望远镜补偿回波二次项离焦像差但不产生相位历程;目标处于瑞利-索末菲衍射区域时不可能补偿回波高阶像差.     

双半透镜干涉场的研究

基于波前分析和基尔霍夫衍射积分式,导出了在会聚球面波照射下圆孔或半圆孔菲涅耳衍射场沿轴的复振幅分布,特别关注其相位分布,给出了像点两侧对称点之间的相位差公式,结果表明过像点的相位变化是连续的.进而将这些结果应用于双半透镜装置,即梅斯林干涉实验,分别两种情况(即焦距相等而物距不等和物距相等而焦距不等)给出了分别由单个半透镜产生的两个衍射场之间的相位差公式和相应的干涉强度公式.结果表明,这两个衍射场沿轴的有效相位差未必是0,亦未必是π,还可能出现锯齿型的反复变化.本研究为正确地分析双半透镜产生的两个衍射场之间的干涉场提供了一个可靠的理论途径.     

用相因子判断法分析条形余弦光栅衍射场

基于波前相因子判断法并考虑到光栅孔径的影响,揭示了余弦光栅的衍射场所含基元成分．给出了各基元成分衍射场的积分表达式,进而导出了像面上光强分布的公式,并显示了相应的沿轴线的光强分布曲线,得到各焦斑的半值线宽公式．本研究为余弦光栅用于空间滤波和光学信息处理技术提供了一个理论基础．     

衍射光学透镜的设计

介绍一种衍射光学透镜的通用设计方法，它适用于大的相对孔径和任意的物像共轭距离，同时考虑了透镜基板厚度的影响．设计的结果，用激光写入法加工成透镜，其成像质量达到衍射极限．     

半径随机的圆孔波纹锯齿光阑的衍射特性

研究了半径随角度的变化而随机变化的圆孔波纹锯齿光阑的衍射特性,提出并证明半径随机的圆孔纹波锯齿光阑能改善光束的近场分布和抑制光束中央部分的衍射调制。给出了衍射光轴上和横截面内光强分布的模拟计算结果,通过计算结果可以看出:通过半径随机圆孔波纹锯齿光阑后,衍射光横截面内填充因子比经过调幅型波纹锯齿光阑后的填充因子高,调制强度比经过调幅型波纹锯齿光阑低,并且半径随机锯齿光阑能在较大的空间范围内抑制轴上光强的衍射调制, 其可抑制的最远空间距离可达0.15 m。     

Wavefront Curvature Sensing Based on Diffraction Grating and Fractional Fourier Transforms

We propose a new concept for wavefront curvature sensing, which is based on diffraction grating and fractional Fourier transforms systems. An explicit formula is derived expressing the wavefront curvature, and the wavefront shape can also be retrieved rapidly. The experimental setup is presented and numerical simulations show the validity of the proposed method.     

相因子判断法分析菲涅耳波带片的衍射场

基于波前相因子判断法,并考虑到波带片孔径的影响,揭示了波带片的衍射场所含基元成分及各成分在衍射场的积分表达式,并导出了沿轴的衍射场振幅分布公式及沿轴的振幅分布曲线,得到多个实焦斑的横向半值线宽和轴向半值线宽公式.本研究为波带片作为一种光学元件提供了一理论基础.     

小孔阵列衍射特性与应用

以单色标量波衍射理论为基础,研究了均匀平面波从不同角度入射小孔阵列的衍射特性。运用单孔衍射理论,同时考虑相邻小孔间衍射光强的相互影响,建立了小孔阵列衍射的理论模型和光强分布的数值积分式,小孔为硬边小孔。利用Matlab对500 nm波长的平面波入射微小方孔阵列衍射图样进行了计算机仿真,得到了不同几何参量下平面波从不同角度入射时的衍射图样的一维和二维光强分布图,并将仿真结果用于微型数字式太阳敏感器的光学系统中的结构参量设计和图像处理中的参量确定。太阳敏感器的成像实验结果表明,小孔阵列衍射光强分布图的仿真结果正确、太阳敏感器光学系统参量设计合理。小孔阵列衍射理论为太阳敏感器的光学系统设计和图像处理提供了可靠的理论基础。     

脉冲压缩光栅光路调节新方法研究

介绍了一种简单而实用的大口径脉冲压缩光栅光路调节方法,有效解决了普通光路调节方法中轴向调节精度不高的问题。首先由全息透镜(光栅)成像公式出发,推导出了该光路调节的基本原理。并从光栅记录系统与光栅衍射波像差的关系,结合初级像差理论推导得出叠栅条纹像差为0.4786λ,大约是光栅衍射波像差(0.25λ)的两倍,利用此关系也可对光栅衍射波像差进行实时监测。从数值模拟结果可知,利用叠栅条纹法调节光路可将光栅波像差减至0.06λ,相应的轴向误差量为0.007 mm,可有效提高了轴向调节精度。     

Diffraction errors in micromirror-array based wavefront generation

Using Laser-based Speckle-Interferometers, the shape of optically rough surfaces can be measured precisely and contactlessly from variable measuring distances even in regions of difficult access. This work is concerned with the integration of a micromirror array (MMA) into an electronic Speckle-Pattern-Interferometer. With the adaptive optics, it is intended to adapt the phasefront of a reference wave to critical surface areas of the measurement object. Yet, due to the topography of the MMA, diffraction effects occur which affect the phase and intensity of the generated wavefront. We demonstrate how these diffraction effects can be efficiently modelled by a Fraunhofer diffraction method. We compare the results of this model to theoretical data obtained by a numerical Fresnel diffraction model and to measurement data obtained from a measurement setup incorporating a multi mirror array.