光学材料光学不均匀性绝对测量误差分析

绝对测量技术去除了干涉仪参考面面形误差,可实现光学材料光学不均匀性的高精度测量。对现有主要光学材料光学不均匀性绝对检测技术进行了总结比较,针对像素错位、干涉图分辨率、干涉仪测量重复性、样品厚度以及折射率测量等因素对光学不均匀性绝对检测的影响进行了实验分析。实验结果表明:干涉仪重复性是光学不均匀性测量的主要误差。样品翻转测量法、样品直接透射测量法、平行平板样品测量法3种测量方法均可实现光学不均匀性（RMS）10-8检测精度。     

大口径光学玻璃光学均匀性干涉绝对测量方法

在光学透射材料均匀性测量的各个方法中,干涉测量方法作为绝对测量方法,能摈除干涉仪标准面及待测元件的面形影响,具有很高的测量精度而逐渐被广泛使用。详细研究了使用干涉手段测量透射材料均匀性的方法,对其中材料切割角度所引入的误差进行了详细分析,并提出修正方法。同时研究了测量光学材料均匀性的拼接算法,实验表明：该方法可以实现用小口径干涉仪测量大口径玻璃材料的光学均匀性的目的,而且其测量精度很高。     

基于子孔径拼接技术的大尺寸光学材料均匀性检测系统

为实现大尺寸光学材料折射率均匀性的高精度、低成本检测,提出一种基于子孔径拼接技术的干涉绝对测量方法,并研制了一套由Zygo干涉仪、五维气浮调整平台、子孔径拼接软件、计算机等组成的测量计算系统。待测件安放在精密的五维气浮调整架上,通过移动调整架来对各个子孔径区域进行精密检测,再利用子孔径拼接软件自动拼接计算出全口径待测件的光学均匀性分布。对直径为300mm的石英待测件进行了口径为180mm的8个子孔径拼接检测实验,并将拼接所得结果与全口径干涉仪直接测量的结果进行了分析和比较,波面峰谷值相对误差为0.21%,光学均匀性值相对误差为0.23%,精度与大口径干涉仪直接测量的精度相当,实现了绝对检验下的平面类波前子孔径拼接技术的实用化。整套系统集光、机、电、算于一体,操作简便,测量精度高。     

光学材料光学均匀性的波长调谐两步绝对测量法

光学均匀性是光学材料的重要指标,目前高精度的测量方法一般采用绝对测量法,而该方法步骤繁琐,容易受环境影响。根据波长移相干涉仪的移相特点,提出了测量光学材料光学均匀性的波长调谐两步绝对测量法。该方法在波长移相干涉仪中通过平行平板放入测量和空腔测量两个步骤得到平行平板的光学均匀性。在模拟仿真验证方法的正确性后,进行了实验研究,并与传统的绝对测量法的测量结果进行比较。结果表明,波长调谐两步绝对测量法可用于测量平行平板的光学均匀性,且测量步骤简单,精度较高。     

大口径光学平面的子孔径拼接检验研究

研究了检测大口径光学平面的子孔径拼接法。通过采用最小二乘法对相邻两个子孔径重叠区域的数据进行分析,获得了子孔径之间的拼接参量,得到了被检验镜面的整体面形信息。编制了拼接检验的计算程序,并完成了原理性实验。采用一台口径为100mm的移相干涉仪检测了两个样品,给出了拼接检测与全口径检测的对比结果。样品的口径分别为100mm和91mm。对比检测结果表明,拼接检测与直接检测两种方法的RMS之差小于5nm。     

用短相干光源测量平行平板玻璃的光学均匀性

为了解决传统干涉绝对测量法不能测量前后表面平行度很好的光学玻璃和晶体均匀性问题,提出了在以短相干光为光源的泰曼-格林干涉仪上,通过调整参考光路的光程,使被测样品的前后表面分别处在零光程差位置,这样从样品两面反射回来的光就不会同时满足和参考光相干涉的条件,从而解决了前后面的反射光干涉混叠问题.用虚光栅移相莫尔条纹法处理采集到的干涉图,得到位相数据,代入绝对测量法的计算公式,得出待测样品的折射率分布.对厚度为13 mm、口径为75 mm的光学平板玻璃进行测量.结果表明,光学均匀性检测准确度可达到2.6×10－6,被测样品折射率偏差的峰谷值为Δnpv=6.06×10－6,均方根值为Δnrms=8.96×10－7.     

大口径激光钕玻璃均匀性拼接检测技术

提出了基于600mm口径干涉仪的一维子孔径拼接测量方法,通过像素错位误差模拟分析结果,设计并研制了一维大行程气浮型精密扫描拼接平台,实现了对角线接近1m的大口径激光玻璃的全口径光学均匀性拼接检测,并对该技术的拼接测量精度和重复性进行了验证。结果表明:拼接结果平滑,均匀性拼接测量与直接测量结果的相对误差优于2×10-7,全口径均匀性的重复性优于4×10-8,单口径均匀性测量结果与拼接后相同区域的均匀性结果最大差异为2×10-7。     

2m量级SiC非球面反射镜的摆臂轮廓检测

提出采用摆臂式轮廓检测的方法,实现超大口径Si C反射镜面形的高精度轮廓检测。阐述了采用摆臂轮廓仪检测超大口径反射镜的基本原理和具体实施流程;介绍了基于扫描线交点高度一致性的特点进行面形重构的算法,以及针对离焦量测量不准的问题,采用激光跟踪仪对面形离焦量进行辅助测量的手段,建立了综合优化的检测模型;结合实例对口径为2040 mm的同轴抛物面Si C反射镜进行了摆臂轮廓检测,检测精度均方根(RMS)为0.46μm,与干涉仪检测结果对比偏差0.03μm。该技术与加工机床集成实现了反射镜的在位检测,以非球面的最接近球面为测量基准,提供了一种精确、高效地测量超大口径光学非球面面形的方法,满足了大口径Si C反射镜在研磨阶段的高精度轮廓检测需求。     

点源异位同步移相法检测平行平晶的光学均匀性

为了避免平行平晶测量时前后表面干涉的影响,基于点源异位同步移相原理,提出一种均匀性绝对测量方法.测量分为平行平晶前后表面干涉测量、平晶透射波前测量、干涉仪空腔测量三步.每步通过在同一时刻抓拍的四幅移相干涉图恢复波前,最终由三次测量结果计算平行平晶的均匀性分布.在非抗振平台上测试了一块厚度为60mm的光学平行平晶,被测样品均匀性偏差的峰谷值为ΔnPV=3.32×10~(-6),均方根值为ΔnRMS=2.63×10~(-7).检测结果与波长调谐干涉仪测量结果的峰谷值偏差为ΔPV=5×10~(-7),均方根值偏差为ΔRMS=-7×10~(-9),具有较高的一致性.所提方法在环境振动条件下对平行平晶均匀性检测精度可达1×10~(-6).     

红外光学材料折射率均匀性的测量不确定度评定

基于多样品多型号仪器的测试信息及其GUM和MCM方法,讨论了四步干涉法测量红外光学材料折射率均匀性的测量范围及其测量不确定度评定。红外干涉测量的绝对灵敏度和准确度虽不及可见激光干涉仪,但采用了四步干涉测量的方法,消除了干涉仪的固有系统误差,有利于实现对红外光学材料折射率均匀性的高准确度测量。实际测试表明,该测量范围覆盖110-5～510-3,测量相对标准不确定度为210-1～210-2。     

Measurement of refractive index homogeneity of parallel optical component

In this paper, we present a method for enhancing the measurement capability of refractive index homogeneity for parallel optical components, which phase-shifting interferometry cannot handle with. With the help of wavelength-modulation phase-shifting interferometry, a series of multiple-surface interference fringes are obtained and analyzed by Fourier transform. Based on the fact that the interference fringe corresponding to each interference cavity has its own variation frequency, the wavefront aberrations induced by each interference cavity are obtained and the refractive index homogeneity is then obtained. It is proved by experiment that the enhanced method can measure the refractive index homogeneity of parallel optical components more accurately and conveniently compared with the traditional measurement approach. Therefore, it will have potential application forwards in optical measurement field.     

近红外波段锑基铋掺杂薄膜厚度对光学常数与光学带隙的影响

采用磁控溅射法制备了不同厚度的锑基铋掺杂薄膜,用X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)研究了薄膜结构随厚度的变化。利用椭圆偏振法测定了样品薄膜在近红外波段的光学常数与光学带隙,研究了膜厚对样品薄膜光学常数和光学带隙的影响。结果表明,膜厚从7 nm增加至100 nm时,其结构由非晶态转变为晶态。在950～2200 nm波段,不同厚度薄膜样品的折射率在4.6～8.9范围,消光系数在0.6～5.8范围,光学带隙在0.32～0.16 eV范围。随着膜厚的增加,薄膜的折射率和光学带隙减小,而消光系数升高;光学常数在膜厚50 nm时存在临界值,其原因是临界值前后薄膜微观结构变化不同。     

新型杂萘联苯型聚芳醚砜硐聚合物光子材料成膜和光学特性

对新型聚合物光子材料杂萘联苯型聚芳醚砜硐(PPESK)波导薄膜的成膜工艺进行了系统的研究。分析了溶剂吸水性对成膜质量的影响,并通过氮气保护的方法获得了具有良好均一性的波导薄膜,其厚度一致性可优于1%,折射率一致性优于0.03%。采用棱镜耦合技术测量分析了PPESK波导薄膜的折射率、双折射、热光系数等光学特性,测量得到该材料在1310 nm波长处的损耗小于0.24 dB/cm,在1550 nm波长处的损耗小于0.52 dB/cm,表明该材料是一类性能良好的聚合物光子材料。     

System for measuring optical admittance of a thin film stack

A new method based on the polarization interferometer structure has been applied to measure the optical admittance, the refractive index and thickness of a thin film. The structure is a vibration insensitive optical system. There is one Twyman-Green interferometer part to induce a phase difference and one Fizeau interferometer part to induce the interference in the system. The intensities coming from four different polarizers were measured at the same time to prevent mechanical vibration influence. Using the polarization interferometer, the optical admittance, the refractive index and thickness of a single layer of Ta₂O₅ thin film has been measured. The measurement results were compared with the results obtained by ellipsometer. The results meet reasonable values in both refractive index and thickness.     

An Approach to Optical Reflection Tomography along the Geometrical Thickness

We propose and demonstrate a novel optical reflection tomography along the geometrical thickness. This technique is based on simultaneous measurement of refractive index n and thickness t of a sample using the combination of a low coherence interferometer and confocal optics. The interferometer provides optical coherence tomography (OCT) of the dimension of the optical thickness (=n × t) along the optical axis, while the confocal optics gives us another type of reflection tomography, having the thickness dimension of nearly t/n along the optical axis. This sort of tomography can be called confocal reflection tomography (CRT) and has not yet been demonstrated, to our knowledge. Simple image processing of OCT and CRT results in the desired reflection tomographic image, showing two-dimensional refractive index distribution along the geometrical thickness.     

结合计算层析与光学相干层析测量折射率分布

通过将计算层析技术与光学相干层析技术相结合,测量散射介质非均匀折射率分布。该方法测量散射样品折射率分布时,通过光学相干层析技术测量散射样品折射率分布在多个方向上的投影,采用计算层析技术实现对样品折射率分布的层析重建,克服了传统折射率光学测量方法如单纯的基于光学相干层析原理的焦点追迹法和光程匹配法,不能测量散射介质非均匀折射率分布的缺点。采用该方法在实验中对梯度折射率棒的径向相对折射率分布进行层析重建,取得了较好的实验结果。     

γ辐射对光纤波导电磁场分布的影响

开展了光纤波导中的电磁场传输理论分析,得到了光纤折射率变化对波导中电磁场分布的影响规律,建立了块状融石英材料及光纤光栅在60Co 辐射作用下折射率变化的测量系统,开展了折射率随辐射剂量变化及光纤模场测量实验。结果表明:光纤的折射率随辐射剂量的增加而增大,折射率的变化会引起波导中传输模式的场强分布变化,从而导致光纤的辐射感生波导损耗;在一定的辐射剂量范围（0～2000 Gy）内,光纤仍满足弱导边界条件,能够维持对传输模式的约束能力。     

光子晶体异质结耦合波导光开关

以二维三角晶格光子晶体为研究对象,在该光子晶体中引入两行平行的单模线缺陷波导,以一行耦合介质柱为间距,通过调节部分耦合介质柱的折射率,构筑了光子晶体异质结耦合波导光开关结构。利用平面波展开法和定向耦合原理计算了在不同入射光频率下,缺陷波导间耦合介质柱的折射率不同时的耦合长度,确定了合适的光子晶体异质结耦合波导光开关的结构参数。利用时域有限差分法研究了该光开关中耦合介质柱的折射率变化及异质结构介质柱的位置分布对光信号输出路径的影响。结果表明,通过改变该结构中耦合介质柱的折射率可以改变光的输出路径,可实现光的开关行为。并且异质结构介质柱位置的随机分布对该光开关的影响不大,有助于光子晶体新型滤波器、定向耦合器、波分复用器以及光开关等光子器件的研究。     

基于p偏振光双面反射的薄膜传感器光学参数的优化

ｐ偏振光在镀膜平板玻璃上、下表面反射光强比γ的角度调制曲线的性状与膜层光学参数密切相关。分析了γ与膜层折射率、消光系数及膜厚的相对梯度随光参数变化的着急为基于ｐ偏振光双面反射的薄膜传感器选择最佳参数提供了理论依据,计算表明该类型传感器对膜层折射率的测量分辨率高达１０＾－７。对不同工艺条件下得到的溶胶－凝胶ＳｎＯ２膜进行光学参数测定及初步气敏实验,结果表明ｐ偏振光双面反射可作为高灵敏度光化学传感器的