In questo talk tecnico approfondiremo un po’ di più la progettazione di un interferometro a diffrazione puntiforme, o PDI per brevità. Abbiamo parlato di questo tema in modo superficiale in un precedente talk tecnico, ma questa volta ci sarà abbastanza materiale per chiunque possa prendere in considerazione la costruzione di uno di questi dispositivi. Questa applicazione è ben supportata dal WaveMe Una piattaforma che abbassa il livello minimo richiesto per chi desidera esplorare questa tecnologia.

Il PDI non è uno strumento generico. Contiene elementi adattati all’apertura numerica e alle lunghezze focali del sistema in cui opera. Ciò detto, può essere utilizzato anche per altri sistemi che condividono alcuni parametri, sebbene non tutti. Per esempio, due sistemi telecentrici dove il gruppo posteriore condivide la lunghezza focale ma differisce per l’apertura numerica, se il foro (PH) è abbastanza piccolo per l’apertura numerica maggiore, l’interferometro funzionerà per l’apertura più piccola ma con un contrasto inferiore. Tuttavia, i requisiti di contrasto sono piuttosto accettabili quando l’interferometro è integrato con la tecnica di spostamento di fase e, molto probabilmente, i risultati saranno comunque molto buoni. Un PDI ben progettato raggiungerà un’accuratezza λ/300 (RMS), quindi c’è spazio per un margine di sicurezza per la maggior parte dei casi.

Le Parti

Una fase-shift (o phase stepping) PDI è composta da tre componenti fondamentali: un attuatore, un grilletto di trasmissione grossolano e una piastra PDI o maschera di diffrazione. A seconda della sorgente luminosa, potrebbe essere necessario aggiungere un foro (PH) per generare un'onda frontale di riferimento priva di aberrazioni, per illuminare l'ottica da testare; tuttavia, una fibra monomodale, se la sua apertura numerica è sufficientemente grande, è anche una fonte molto interessante, se il collegamento della fibra è eseguito bene.

Il disegno sopra mostra solo una delle molte possibilità di organizzare lo spostamento di fase, posizionando il grilletto nel piano di Fourier del sistema. Il grilletto può essere posizionato come l'ultimo elemento prima della piastra PDI, come mostrato nelle immagini in A precedente talk tecnico, o può anche essere parte dell'illuminazione di riferimento, che diventa quindi un'illuminazione di riferimento a due fotoni se si desidera evitare o non è possibile inserire nulla all'interno del sistema ottico stesso.

La piastra PDI può essere disposta anche in molti altri modi, soprattutto se l’obiettivo è un design più flessibile; tuttavia, questo è un discorso tecnico sui principi, pertanto viene mostrata la soluzione più semplice.

Resoluzione spaziale

Se guardiamo al sistema ottico tra la griglia e il piano immagine delle ottiche di proiezione ad apertura, troviamo un altro sistema 4F con la piastra PDI e la sua finestra di misura (o apertura di misura) nel piano di Fourier; da qui possiamo concludere che la dimensione della finestra di misura determina la risoluzione ottica dell’interferometro. Questo determina quanto nitida sarà l’apertura del nostro sistema da testare sulla fotocamera, che si trova nel piano immagine delle ottiche di proiezione ad apertura, e quanto piccoli saranno i dettagli del fronte d’onda che possiamo rilevare.

Qui ci sono delle scelte da fare. Se aumentiamo la finestra di test, le estremità della zona illuminata che indica la PH al centro diventeranno sempre più visibili attraverso la finestra di test. Se la riduciamo, perdiamo la risoluzione. In linea di massima, impostare il diametro di questa apertura sulla distanza tra gli ordini di diffrazione dei graticci proiettati è una buona scelta. Alcuni fenomeni di interferenza saranno visibili, ma se si desidera tracciare le aberrazioni sui polinomi di Zernike, con questa scelta si possono ottenere risultati accurati.

La piastra PDI non è un prodotto standard, ma i fori sono presenti e per integrare l’apertura di prova in un PH standard di dimensioni adeguate è possibile anche procedere tramite foratura, ma esistono molte altre possibilità. Se la piastra PDI è stampata in cromato, è necessaria una densità ottica (OD) di almeno 5, superiore a quella che si può aspettare utilizzando maschere standard che in ogni caso hanno un OD di 4 o, in genere, di 3, insufficiente. Thorlabs, Edmund Optics e sono disponibili diverse altre fonti fino a 1 μm. Se il diametro desiderato del PH è,

se non si riesce a trovare la risposta, è opportuno misurare il sistema nella direzione opposta, se l’ingrandimento non è pari a 1, e utilizzare il diametro più grande che è comunque inferiore al diametro di riferimento per la PH. I testi standard riportano un fattore di 0,5 davanti, dove ho inserito 0,4. Questo non è un effetto significativo, ma, a seconda dell’aberrazione, innumerevoli simulazioni dimostrano che questa scelta è meno probabile che porti a risultati al di fuori della precisione prevista.

Si tratta di probabilità molto piccole, come una su mille misurazioni, ma se l’obiettivo è una precisione elevata e affidabile, 0,4 sembra essere una scelta migliore. In linea di massima, il diametro del campo di proiezione sarà simile alla risoluzione limitata dalla diffrazione del sistema, un dato che solitamente è ben presente nella mente dei progettisti ottici.

Prima di poter iniziare la misurazione, i fori devono essere allineati con i punti diffusi. Ecco un elenco da seguire:,

1. Identifichiamo l'ordine zero per mezzo della sua potenza. È quello più forte. Supponiamo che la luce passi attraverso l'apertura di prova.
2. Spostate il punto della 0° ordine verso il bordo più vicino al pinole.
3. Utilizzare il Tecnica a filo di falce di Foucalt per concentrare la lente PDI. L’ottica di proiezione dell’apertura è già perfettamente configurata per questo scopo.
4. Tradurre il PH (con le sue ottiche di proiezione) nella distanza nominale tra il bordo e il centro del PH. Questa distanza non possiamo conoscerla bene alla prima, ma vale la pena ricordarla una volta che la abbiamo.
5. Massimizzare il contrasto laterale per garantire che i punti focali e il centratura siano corretti.

La fase di focalizzazione tramite il test di Foucault è molto interessante e spesso fornisce un primo indizio sull’anomalia del sistema. Per esempio, con un po’ di pratica è possibile individuare gli asticismi fino a una risoluzione di 0,1 wave. Nell’applicazione pratica del PDI, di solito non è necessario seguire tutti i passaggi della lista, ma almeno ogni volta che il sistema da testare viene sostituito. In seguito, di solito è sufficiente conoscere la magnificazione e spostare la sorgente e la PH (o meglio l’intera ottica di proiezione dell’apertura che dovrebbe essere montata su una base meccanica comune) nelle posizioni nominali e effettuare le regolazioni fine una volta raggiunte.

Un'ultima nota sulla piastra PDI: se avete lavorato bene nell'allineamento di tutto, spesso la fotocamera rifletterà la luce indietro verso il PH. Assicuratevi quindi che il lato rivolto alla fotocamera sia nero oppure aggiungete una piastra a quarta di onda e un polarizzatore lineare prima della fotocamera. Un pennarello nero applicato sul retro del PH può migliorare notevolmente i risultati. Non è sempre facile verificare questo in base ai risultati misurati, quindi assicurarsi che il retro sia nero è un modo semplice per non preoccuparsi di questo aspetto.

La Grating

Il grilletto necessita di un po’ di attenzione (ingegneristica). Dopo tutto, questo è il cuore della parte di fase-shift dell’interferometro, poiché fornisce sia la suddivisione del fascio che la fase-shift. Poiché l’accuratezza target di questo interferometro è piuttosto elevata, la rettitudine delle scanalature e la precisione di posizionamento dell’attuatore (in senso lato) devono essere approssimativamente pari a 0,1% del periodo del grilletto, anche se dipende da alcuni fattori come, ad esempio, se la finestra di test è di ordine 1 o 0, o anche da una parte dell’illuminazione di riferimento per un setup a due fasi. Inoltre, bisogna fare attenzione affinché l’attuatore non ruoti il grilletto attorno all’asse ottico. Normalmente, bisogna tenere d’occhio la specifica del passo, mentre yaw e tilt non sono un problema per un attuatore che riesce a mantenere il passo.

Nell’immagine sopra, il grilletto si trova nel piano dato dalla direzione di movimento e dalla normale del piano dell’azionatore. Di solito, a meno che il grilletto non sia molto piccolo, non si troverà un azionatore che soddisfi le specifiche richieste, e in ogni caso il grilletto dovrebbe essere posizionato il più vicino possibile all’azionatore, ma quelle specifiche sono sempre per l’intero intervallo di movimento; nel nostro caso, solitamente non utilizziamo tutta quella distanza, ma bisogna tener presente questo dato.

Si possono rilevare potenziali problemi effettuando una misurazione che consenta anche di rilevare lo spostamento di fase di 360°. WaveMe, In questo caso si parla di misurazione a 5 punti. Questo sistema elimina gli errori di inclinazione quando la normale della superficie dell'azionatore ruota attorno a un asse a una distanza finita.

Per essere certi di essere tutti sulla stessa lunghezza d’onda, il numero di frange visibili sulla fotocamera è uguale al diametro dell’apertura del sistema moltiplicato per la frequenza della scanalatura; la domanda è ora: quante ne dovremmo avere? Se scegliamo un numero inferiore, la risoluzione del PDI sarà inferiore, ma i raggi saranno più vicini tra loro e i contributi di errore derivanti dalla differenza di traiettoria, tipicamente nella parte di proiezione dell’apertura, saranno minori. E viceversa, con un reticolo più denso, la risoluzione aumenterà e così anche gli errori legati alla differenza tra i raggi. Ora, questi errori possono essere più o meno difficili da rimuovere tramite la calibrazione, che sarà molto facile quando si misura attraverso la prima ordine di incidenza e più difficile quando si misura attraverso la seconda ordine di incidenza. Se il reticolo posteriore delle ottiche di proiezione dell’apertura è centrato e aplanatico, questo problema si riduce in gran parte. Ancora una volta, tutto dipende dalla precisione che vogliamo raggiungere.

Quindi, quante fessure sulla apertura del sistema? Non ci sono regole precise, ma 50 è al di sotto della media e 100 è forse un po’ troppo. Come sempre, dipende da ciò che si cerca. Con il numero inferiore, un singolo plano-convexfico funzionerebbe anche tra il foro e la fotocamera, soprattutto se si misura secondo il primo ordine e si calibra isolando i due fasci che altrimenti attraverserebbero l’apertura di prova e il foro.

Referenza a due fasci

Per quanto riguarda la precisione, il grilletto richiede un certo impegno. Anche quando viene stampato su un wafer di silice fusa di alta qualità, è possibile che la mancanza di planarità impedisca all’applicazione di raggiungere la precisione desiderata. Per le lunghezze d’onda visibili e UV, un grilletto realizzato con un oscillatore in silicio monocristallino, inciso fino in fondo, evita completamente questo problema, ma per mantenere la rettitudine delle scanalature, i grilletti devono essere manovrati con grande cura.

Una soluzione che evita tutti questi problemi consiste nel rendere il processo di fase-shift parte di un sistema di illuminazione a due riferimenti, in cui il grilletto diventa parte dell’illuminazione. Tutte le informazioni che restano dopo il foro sono la differenza di fase reciproca dei due elementi e il sistema da test rimane intatto durante la misurazione.

Alcune riflessioni personali su questa tecnologia

La mia esperienza è principalmente legata alle lunghezze d’onda da 248 nm a 355 nm. Ciò che mi piace di più nell’utilizzo e nella messa in opera di questo strumento è che non ci sono pregiudizi. L’ottica, per sua natura, è sensibile e questa sensibilità dipende solitamente da variazioni termiche e meccaniche. Il foro non cambierà, soprattutto se il foro è realizzato su una pellicola in acciaio inox da 0,1 mm. È possibile costruire questo interferometro da zero e sapere che i risultati sono almeno accurati per quanto riguarda le misure in milliwatt.

Quando si monta per la prima volta un sistema ottico complesso, un gran numero di materiali e di leggi della fisica vengono combinati per ottenere un risultato desiderato. Le cose si muoveranno, con la temperatura e nel tempo a causa del scorrimento dei materiali. Poiché la ripetibilità di questo strumento è così buona, non è necessario aspettare una settimana prima che i potenziali problemi si manifestino. In ogni caso, si potranno osservare già il giorno successivo e possiamo affidarci alle nostre osservazioni, se queste sembrano cambiare, senza pensare che possano essere dovuti all’interferometro.

Sebbene questo strumento sia principalmente adatto alla regione limitata dalla diffrazione e al di sotto di essa, è utile anche per i fronti d’onda più aberrati; tuttavia, in questi casi non si può pretendere una precisione a livello di nanometro. Si tratta di uno strumento di alto livello per macchine ottiche ad alte prestazioni, che eliminerà ogni dubbio sulla qualità delle prestazioni.