Interféromètre à diffraction ponctuelle

L'interféromètre de Smartt ou son évolution, l'interféromètre de diffraction à point de déphasage, est probablement le plus précis que l'on puisse fabriquer, et il n'est même pas cher. Il a ses limites, n'est-ce pas, comme le fait que nous avons besoin d'un foyer pour créer une onde de référence à l'aide d'un trou d'épingle. Si le foyer est à une ouverture numérique élevée, le trou d'épingle peut être très petit et il faut donc envisager la possibilité qu'il s'évapore lorsque l'on veut l'utiliser. Mais tout cela peut être surmonté avec un peu d'ingénierie prudente, en particulier avec des sources pulsées telles que les lasers Excimer ou Q-switched. Pour les trous d'épingle de la taille d'un micron, il n'y a probablement pas de problème car nous devons encore ajuster l'exposition pour enregistrer l'interférogramme sur une caméra, qui est généralement très sensible.

Un autre inconvénient est qu'il ne s'agit pas d'un interféromètre flexible. Il s'agit plutôt d'un outil sur mesure conçu pour des systèmes spécifiques. Cela dit, il n'est pas coûteux à fabriquer : un trou d'épingle, un actionneur et un autre trou d'épingle (disponible dans le commerce) qui peut même être modifié dans votre atelier local de mécanique de précision. C'est ce que j'ai fait la première fois que j'en ai eu besoin. Avec moins de 5k à 8k d'actionneur et de trous d'épingle, et quelques logiciels, nous avons un outil qui est au moins lambda/200 ou même lambda/300 précis et lambda/500 à lambda/2000 stable, en fonction de la taille de l'ouverture et de l'environnement thermique où l'interféromètre est situé.

Précision

À ma connaissance, ce niveau de précision ne peut être obtenu auprès d'aucune source commerciale. Il convient probablement de nuancer l'affirmation de la précision lambda/300. Étant donné que l'interféromètre à diffraction ponctuelle crée sa référence en utilisant le front d'onde mesuré, la référence ne sera une onde parfaitement sphérique que si le trou d'épingle est éclairé par une onde parfaitement sphérique. En réalité, il s'agit plutôt d'un interféromètre de précision 3-3,5% pour les optiques à la limite de la diffraction ou en dessous. Certaines aberrations sont davantage supprimées (comme l'aberration sphérique ou l'aberration de puissance) et d'autres moins (comme la coma). Le nombre de 3-3,5% correspond donc à une moyenne d'ensemble, et comme la valeur efficace du front d'onde au critère de Rayleigh est de l'ordre de 0,07 à 0,08 (en fonction du front d'onde), nous arriverons à quelque chose comme 1/0,075/0,035 = 380. Dans la pratique, il y a une certaine variation de l'opérateur lors de l'alignement et de la mise au point sur le trou d'épingle, ainsi que d'autres éléments.

In practice, one can see the effects of the deformation of lens elements when mounted with ever so slightly different mechanical force. This interferometer feels almost like a mathematical tool. Don’t get me wrong, I do like Shack-Hartmann sensors. When used for the right job, there’s nothing better, but when we try to push them below 10nm RMS, a lot of control over systematic errors is required. With the point diffraction interferometer, there are practically no questions. What you see is what you’ve got.

Le déphasage est effectué à l'aide d'un réseau grossier (de type Ronchi) et le principal choix de conception consiste à déterminer si le front d'onde doit être mesuré à travers le 0e ou le 1er ordre de diffraction. Nous pouvons choisir de mesurer avec ou sans lentille de projection de franges, mais si nous choisissons de ne pas en avoir, il devient difficile d'identifier la pupille qui définit le système optique mesuré. Il est donc préférable d'avoir une optique à projection de franges, mais cela nous oblige bien sûr à répondre à la question de l'erreur de mesure ajoutée par l'optique entre le trou d'épingle et l'appareil photo.

Si nous choisissons de mesurer à travers l'ordre 0 avec un nombre élevé de franges (ce qui définit la résolution de cet instrument), nous devrons calibrer la projection des franges en utilisant deux trous d'épingle, ce qui est quelque peu difficile parce que nous devons maintenant placer deux foyers à travers deux trous d'épingle en même temps. Cette paire de trous d'épingle doit être fabriquée sur mesure si nous voulons obtenir la plus grande précision possible du front d'onde. D'un autre côté, nous obtiendrons des résultats non calibrés assez précis, surtout si l'optique de projection des franges est corrigée pour la coma, bien alignée et si le nombre de franges (résolution de l'interféromètre) n'est pas trop élevé, disons 50-70 franges.

Compromis

Si l'objectif est d'obtenir la plus haute résolution possible et une optique de projection de franges simple, nous pouvons mesurer jusqu'au premier ordre. L'avantage de cette méthode est que nous pouvons obtenir un contraste de frange proche de 100 %, ce qui est agréable mais n'est pas vraiment critique, mais ce qui est plus important, c'est que l'étalonnage est effectué à l'aide d'une fente isolant le 0e et le 1er ordre de diffraction qui sont utilisés lors de la mesure. Cette ouverture est très simple à fabriquer ou à acheter en tant que composant standard. Mais dans ce cas, nous devons l'étalonner. L'interféromètre présenté ici est de ce type. La lentille de projection des franges est simplement un singlet plan-convexe avec une longueur focale qui adapte la taille de l'image de la pupille à la caméra. L'étalonnage simple prend en charge la coma linéaire (et les effets de diffraction conique si le réseau se trouve dans le faisceau convergent) et tant que nous ne déplaçons pas le trou d'épingle, nous n'avons pas besoin de réétalonner, ce qui explique pourquoi tout est sur sa propre table qui peut être déplacée sur le champ. Le cas échéant, l'étalonnage est une procédure d'une minute.

Il s'agit sans aucun doute de mon interféromètre préféré. Il y a des choses qu'il faut faire correctement, comme s'assurer que les rainures du réseau de transmission sont droites. Dans ce cas particulier, le réseau a été fabriqué à Chalmers MC2 dans une plaquette de silicium gravée selon le procédé Bosh (mais il existe d'autres méthodes), et pour couronner le tout, on peut vérifier la rectitude des rainures à l'aide de l'interféromètre sans toucher le réseau.

À propos de l'image

Cette installation particulière mesurait un relais de démagnification de 60 kg avec une distance de travail de 600 mm à une NA d'environ 0,05. Il n'y avait aucun moyen pratique d'accéder à son plan de Fourier, c'est pourquoi l'interféromètre se trouve entièrement à l'extérieur de ce système optique.

Pour terminer par une anecdote, ce relais de 60 kg s'est retrouvé sur cette table optique parce que son fabricant ne pouvait pas vérifier ses performances. Il y avait des raisons de penser qu'il était mal aligné, mais personne ne savait de quoi ni de combien. Après un balayage de 15 minutes sur le champ, une ligne parfaitement droite sur le champ en Z6 est apparue à environ 150 milli ondes aux extrémités. Classique. Un petit test dans Zemax a révélé qu'un déplacement de l'image de 0,8 mm en inclinant un miroir devrait inverser la ligne linéaire Z6, c'est donc ce que nous avons fait. C'est ce que nous avons fait. Plus de Z6 linéaire. Comme s'il s'agissait d'une annulation mathématique. C'est pourquoi j'adore cet interféromètre. C'est un outil de travail tellement propre.