En esta charla técnica, vamos a profundizar un poco más en el diseño de un interferómetro de difracción puntual, o PDI para abreviar. Hemos hablado de ello un poco superficialmente en una charla técnica anterior, pero esta vez, debería ser suficiente para cualquiera que pueda considerar la construcción de uno. Esta aplicación está bien respaldada por el WaveMe que reduce el umbral al mínimo absoluto para los interesados en explorar esta tecnología.
El PDI no es una herramienta genérica. Contiene elementos adaptados a la apertura numérica y a las distancias focales del sistema en el que opera. Dicho esto, puede utilizarse para otros diseños que compartan algunos parámetros, aunque no todos. Así, por ejemplo, dos sistemas telecéntricos en los que el grupo posterior comparte distancia focal pero difieren en apertura numérica, si el estenopo (PH)es lo suficientemente pequeño para la apertura numérica mayor, el interferómetro funcionará para la apertura menor pero con menor contraste. Sin embargo, los requisitos de contraste son bastante benignos cuando el interferómetro se aumenta con la técnica de desplazamiento de fase y, muy probablemente, los resultados seguirán siendo muy buenos. Un PDI bien diseñado alcanzará una precisión de λ/300 (RMS), por lo que hay precisión de sobra para la mayoría de los casos.
Una PDI de cambio de fase (o paso de fase) consta de tres partes principales: un actuador, una rejilla de transmisión gruesa y una placa PDI o máscara de difracción. Dependiendo de la fuente de luz, puede ser necesario un agujero de alfiler adicional (PH) para generar un frente de onda de referencia libre de aberraciones para iluminar la óptica bajo prueba, pero una fibra monomodo, si su apertura numérica es lo suficientemente grande, es también una fuente muy agradable si el acoplamiento de fibra se hace bien.
El dibujo anterior muestra sólo una de las muchas posibilidades de organizar el desplazamiento de fase, colocando la rejilla en el plano de Fourier del sistema. La rejilla se puede colocar como el último elemento antes de la placa PDI, como se muestra en las imágenes en un charla técnica anterior, o incluso puede formar parte de la iluminación de referencia, que entonces se convierte en una iluminación de referencia de dos PH si se quiere evitar, o no se puede, poner nada dentro del propio sistema óptico.
La placa PDI también puede disponerse de muchas otras formas, especialmente si el objetivo es un diseño más flexible, pero esta es una charla técnica sobre los principios, por lo que se muestra la más sencilla.
Si nos fijamos en el sistema óptico entre la rejilla y el plano de imagen de la óptica de proyección de apertura, hay otro sistema 4F con la placa PDI con su PH y la ventana de prueba (o apertura de prueba) en el plano de Fourier, y de esto podemos sacar la conclusión de que el tamaño de la ventana de prueba determina que la resolución óptica del interferómetro. Esto determina lo nítida que se verá la apertura de nuestro sistema bajo prueba en la cámara, que se encuentra en el plano de imagen de la óptica de proyección de apertura, y lo pequeñas que son las características del frente de onda que podemos resolver.
Aquí hay que elegir. Si hacemos la ventana de prueba grande, las colas del punto que ilumina el PH en el centro serán cada vez más visibles a través de la ventana de prueba. Si la hacemos más pequeña, perderemos resolución. Como regla general, ajustar el diámetro de esta apertura a la distancia entre los órdenes de difracción de la rejilla proyectada es una buena elección. Algunas interferencias serán visibles, pero si uno está interesado en mapear las aberraciones en los polinomios de Zernike, se pueden obtener resultados precisos con esta elección.
La placa PDI no es un elemento disponible en el mercado, pero los agujeros de alfiler sí lo son, y para añadir la abertura de prueba a un PH estándar del tamaño adecuado se puede hacer incluso taladrando, pero hay muchas otras posibilidades. Si la placa PDI se imprime en cromo, se necesita una densidad óptica (DO) de al menos 5, que es mayor de lo que se puede esperar utilizando máscaras estándar que, en el mejor de los casos, tienen una DO de 4 o, normalmente, una DO de 3, que es insuficiente. Agujeros de precisión de Thorlabs, Óptica Edmund y varias otras fuentes pueden obtenerse hasta 1 μm. Si el diámetro deseado del PH,
no se puede encontrar, considere la posibilidad de medir el sistema en la dirección opuesta, si el aumento no es 1, y utilice el diámetro más grande que sigue siendo más pequeño que el diámetro anterior para el PH de referencia. Los textos estándar tendrían un factor de 0,5 delante donde yo he puesto 0,4. No es un gran efecto pero, dependiendo de la aberración, innumerables simulaciones muestran que es menos probable que esta elección dé resultados fuera de la precisión esperada.
Estamos hablando de pequeñas probabilidades, como una entre mil mediciones, pero si el objetivo es una precisión alta y fiable, 0,4 parece una mejor elección. Como regla general, el diámetro PH será aproximadamente el mismo que la resolución limitada por difracción del sistema, que es un número que suele estar bien grabado en la mente de los diseñadores ópticos.
Antes de iniciar una medición, los agujeros de alfiler deben estar alineados con los puntos difractados. He aquí una lista a seguir,
La etapa de foucsing mediante la prueba de Foucault es muy agradable aquí y, de hecho, a menudo proporciona una primera pista sobre la aberración del sistema. Por ejemplo, se puede identificar el astigmatismo hasta 0,1 de onda con un poco de entrenamiento. En la aplicación práctica de la PDI, no suele ser necesario realizar todos los pasos de la lista, pero sí al menos cada vez que se cambia el sistema sometido a prueba. Después, suele bastar con conocer la magfinicación y mover la fuente y el PH (o más bien toda la óptica de proyección de apertura, que debe montarse sobre una base mecánica común) a sus posiciones nominales y hacer los ajustes finos una vez allí.
Una palabra final sobre la placa PDI, si usted ha hecho realmente un buen trabajo en la alineación de todo, a menudo habrá reflejo de la cámara rebotando en el PH. Asegúrese de que el lado que mira a la cámara es negro o añada una placa de cuarto de onda y un polarizador lineal antes de la cámara. Un marcador negro aplicado a la parte trasera del PH puede mejorar los resultados de forma significativa. Esto no siempre es fácil de ver en los resultados medidos, por lo que asegurarse de que la parte trasera es negra es una forma sencilla de no tener que preocuparse por ello.
Hay que prestar atención (técnica) a la rejilla. Al fin y al cabo, es el corazón de la parte de desplazamiento de fase del interferómetro, ya que proporciona tanto la división del haz como el desplazamiento de fase. Dado que el objetivo de precisión de este interferómetro es bastante alto, la rectitud de las ranuras y la precisión de posicionamiento del actuador (en un sentido amplio) debe ser de aproximadamente 0,1% del periodo de la rejilla, aunque depende de algunos factores como, por ejemplo, si la ventana de prueba es de orden 1 ó 0, o incluso parte de una referencia de iluminación de configuración de dos PH. Además, hay que tener cuidado para que el actuador no gire la rejilla alrededor del eje óptico. Por lo general, sería la especificación de cabeceo que uno tiene que mantener un ojo en, mientras que la guiñada y la inclinación no son un problema para un actuador que se las arregla para mantener el cabeceo.
En la imagen superior, la rejilla se encuentra en el plano dado por la dirección de desplazamiento y la normal del plano del actuador. Normalmente, a no ser que la rejilla sea muy pequeña, no se encontrará un actuador que tenga una especificación que cumpla los requisitos, y en cualquier circunstancia, la rejilla debe colocarse lo más cerca posible del actuador, pero esas especificaciones son siempre para todo el rango de recorrido mientras que en nuestro caso, normalmente no utilizamos tanto del rango de recorrido, pero hay que vigilar este número.
Se pueden detectar posibles problemas realizando una medición que también capte el desplazamiento de fase de 360°. En WaveMese denomina medición de 5 puntos. Anulará los errores de cabeceo cuando la normal de la superficie del actuador gire alrededor de un eje a una distancia finita.
Para asegurarnos de que todos estamos en la misma página, el número de franjas que serán visibles en la cámara es el mismo que el diámetro de apertura del sistema multiplicado por la frecuencia de la ranura, pero la pregunta ahora es, ¿cuántas deberíamos tener? Si elegimos un número menor, la resolución del PDI será menor, pero los haces estarán más cerca unos de otros y las contribuciones de error que se derivan de la diferencia de trayectoria, normalmente en la parte de proyección de la apertura, serán menores. Y a la inversa, con una rejilla más densa, la resolución aumentará y también lo harán los errores relacionados con la diferencia entre trayectorias. Ahora bien, esos errores pueden ser más o menos difíciles de eliminar mediante calibración, que será bastante fácil cuando se mida a través del 1er orden y más difícil cuando se mida a través del 0º orden. Si el grupo posterior de la óptica de proyección de apertura está centrado y aplanado, este problema desaparece en gran medida. Una vez más, todo depende de la precisión que nos propongamos.
Entonces, ¿cuántas ranuras por encima de la apertura del sistema? No hay reglas fijas, pero 50 está en el lado bajo y 100 es quizá un poco alto. Como siempre, depende de lo que se busque. Con el número más bajo, un singlete plano-convexo funcionará incluso entre el estenopo y la cámara, especialmente si medimos a través del 1er orden y calibramos aislando los dos haces que, de otro modo, atravesarían la apertura de prueba y el estenopo.
En lo que respecta a la precisión, la rejilla requiere cierta atención. Incluso cuando se imprime en una oblea de sílice fundida de alta calidad, existe la posibilidad de que la falta de planitud impida que la aplicación alcance la precisión deseada. En el caso de las longitudes de onda visibles y UV, una rejilla fabricada con oblea de silicio monocristalino, grabada hasta el final, evita totalmente este problema, pero para mantener la rectitud de las ranuras, las rejillas deben manipularse con mucho cuidado.
Una solución que evita todos esos problemas es hacer que el proceso de cambio de fase forme parte de una iluminación PH de dos referencias en la que la rejilla es ahora parte de la iluminación. Toda la información que queda después del agujero de alfiler es su diferencia de fase mutua y el sistema bajo prueba permanece intacto durante la medición.
Mi experiencia se basa principalmente en las longitudes de onda KrF (248 nm) y 355 nm. Lo que más me gusta a la hora de desplegarlo y utilizarlo es que no hay peros que valgan. La óptica, por su naturaleza, es sensible y esta sensibilidad suele depender de derivas térmicas y mecánicas. El agujero de alfiler no va a cambiar, especialmente un agujero de alfiler fabricado en una lámina de acero inoxidable de 0,1 mm. Uno puede montar este interferómetro desde cero y saber que los resultados son al menos precisos en miliondas.
Cuando se monta por primera vez un sistema óptico complejo, se combinan muchos materiales y mucha física para obtener el resultado deseado. Las cosas se moverán, con la temperatura y con el tiempo debido a la fluencia del material. Como la repetibilidad de esta herramienta es tan buena, no hay que esperar una semana a que aparezcan los posibles problemas. Uno los verá al día siguiente, como mínimo, y podemos confiar en que nuestras observaciones, si parecen estar cambiando, no se deben al interferómetro.
Aunque se trata de una herramienta principalmente para la región de difracción limitada e inferior, es útil para frentes de onda más aberrados, aunque en esos casos no se puede pretender una precisión nanométrica. Se trata de una herramienta de gama alta para máquinas ópticas de alto rendimiento, que eliminará todas las conjeturas de cualquier análisis de rendimiento.
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