Формирование асферических волновых фронтов с помощью синтезированных голограмм Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

ФОРМИРОВАНИЕ АСФЕРИЧЕСКИХ ВОЛНОВЫХ ФРОНТОВ С ПОМОЩЬЮ СИНТЕЗИРОВАННЫХ ГОЛОГРАММ

Александр Григорьевич Полещук

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт автоматики и электрометрии» Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, заведующий лабораторией, старший научный сотрудник, тел. 8(383)333-30-91, e-mail: poleshchuk@iae.nsk.su

В статье рассмотрены принципы формирования и одновременного контроля с наномет-ровой точностью эталонных асферических волновых фронтов для решения задачи создания метрологических эталонов асферических волновых фронтов и асферических поверхностей.

Ключевые слова: синтезированная голограмма, дифракционный оптический элемент, асферический волновой фронт, интерферометр.

FORMATION OF ASPHERICAL WAVEFRONTS BY MEANS OF COMPUTER GENERATED HOLOGRAMS

Alexander G. Poleshchuk

Institute of Automation and Electrometry, Siberian Branch of Russian Academy of Scienc-es630090, Russia, Novosibirsk, , Pr. Akademika Koptyuga 1, Doctor Tech. Sci., Head of Laboratory, Senior Research Scientist, tel. (383)333-30-91, e-mail: poleshchuk@iae.nsk.su

Principles of formation and simultaneous testing of aspherical wavefronts with nanometer accuracy for development of metrological standards of aspheric wavefronts and aspheric surfaces are presented.

Key words: computer generated hologram, diffractive optical element, aspherical wavefronts, interferometer.

Введение

Сферические и плоские волновые фронты образуются естественным образом в оптике. Привязка их формы с нанометровой точностью к первичному эталону (плоскости или сфере) осуществляется через длину волны лазерного источника света в интерферометре средства измерения. В настоящее время в метрологических центрах ряда стран разработаны и созданы первичные эталоны плоских и сферических поверхностей c погрешностью менее 1 нм. В частности, в качестве эталона плоской поверхности используется ртутное (или масляное) зеркало. Однако до настоящего времени метрологических эталонов асферических волновых фронтов (АВФ) или поверхностей не существовало, а задача их разработки не ставилась. Это было связано с тем, что невозможно непосредственно и однозначно проконтролировать форму асферического волнового фронта, если он значительно (больше нескольких длин волн света) отличается от плоского или сферического. Кроме того, само создание асферических волновых фронтов методами классической оптики (с помощью линз, зеркал) имеет существенные ограничения.

Фундаментальная задача создания эталонов АВФ, определенных с погрешностью менее 10-9 м, необходима для развития целого ряда научных направлений, таких как рентгеновская оптика (телескопы и микроскопы), астрономическая оптика (в том числе космического базированияя), оптика синхротронного излучения, оптика нанолитографических установок глубокого УФ, лазерная оптика и др.

В настоящей работе рассмотрены принципы формирования и одновременного контроля с нанометровой точностью эталонных асферических волновых фронтов для решения задачи создания метрологических эталонов АВФ и асферических поверхностей.

Формирование АВФ

В настоящее время для формирования АВФ широко используются как рефракционные, так и дифракционные оптические элементы или компьютерно-синтезированные голограммы (СГ). Все эти элементы преобразуют исходный плоский (или сферический) волновой фронт в асферический, т. е. по своей сути являются корректорами волнового фронта.

СГ

СГ

О'

Рис. 1. Формирование АВФ с помощью СГ

На рис. 1 показаны примеры возможных схем формирования АВФ с помощью СГ. Входной волновой фронт W1 от источника S монохроматического излучения преобразуется с помощью СГ в АВФ W2. Входной волновой фронт W1 может быть как сферический, так и плоский. Дифракционная структура СГ

а

г

может быть осевой (а, б) или внеосевой (в, г). Каждая из этих оптических схем имеют свои достоинства и недостатки.

Методы контроля точности формирования АВФ

Корректоры на основе СГ идеально подходят для преобразований формы волновых фронтов и в настоящее время уже широко применяются для интерфе-рометрического контроля асферики. Однако обеспечение высокой точности требует совершенной юстировки оптической системы, применения очень хорошей оптической подложки, или вычитания ее погрешностей, использования безаберрационного источника монохроматического излучения и т.д. Таким образом, формирование АВФ с помощью СГ является сложной проблемой, так как форма АВФ зависит от многих факторов, которые необходимо контролировать. Для решения задачи формирования эталонных АВФ мы предлагаем следующие методы контроля:

- контроль и сертификация структуры СГ в процессе изготовления;

- прямой контроль формируемого АВФ;

- интерферометрический контроль АВФ с помощью имитатора;

- интерферометрический контроль АВФ с помощью комбинированной СГ.

Анализу погрешностей и сертификации структуры СГ посвящено много

работ [1, 2]. Особое внимание уделялось анализу погрешностей дифракционной структуры СГ и методам их минимизации. Развитие методов прямой лазерной и электронно-лучевой записи позволило изготовить дифракционные структуры СГ, обеспечивающие формирование АВФ с погрешностью в единицы нанометров [3].

Прямой контроль сформированного АВФ возможен (с рядом ограничений) с помощью датчика волнового фронта Шака-Хартмана или интерферометра сдвига. Однако эти приборы имеют ограниченную точность, позволяют проводить только относительные измерения и нуждаются в калибровке.

Наиболее исследованным методом контроля АВФ является применение СГ-имитатора АВФ и интерферометра Физо в качестве регистрирующего прибора [4]. В соответствии с этим методом, сферический (или плоский) волновой фронт W1 от интерферометра Физо проходит СГ-корректор и преобразуется в АВФ W2. Последовательно с СГ-корректором устанавливается другой дифракционный элемент: СГ-имитатор. Этот элемент отражает и дифрагирует оптическое излучение назад. Если обе СГ изготовлены без ошибок и оптическая схема настроена правильно (допустимая погрешность расположения СГ обычно составляет единицы и доли микрон), интерферометр не будет регистрировать искажения волнового фронта и можно будет сделать вывод, что форма АВФ W2 является правильной. Однако если обнаруживаются остаточные искажения, то это означает, что что-то не так. Их анализ в некоторых случаях позволяет определить источник искажений. Тем не менее, основным недостатком этой схемы является то, что СГ-имитатор юстируется в положение минимальных аберраций, из-за чего аберрации низкого порядка могут быть не определены.

Интерферометрический контроль АВФ с помощью комбинированной СГ основан на одновременном формировании двух функционально заданных и независимых волновых фронтов: асферического и сферического [5]. Так как каждая элементарная область СГ участвует в формировании обеих волновых фронтов, то, измерив форму сферического волнового фронта обычным интерферометром, можно будет судить о погрешностях асферического волнового фронта, проконтролировать который непосредственно невозможно.

Таким образом, комбинированная СГ одновременно выполняет роли эталона и корректора волнового фронта. При этом, даже при наличии небольших неоднородностей оптической подложки СГ, последние исключаются из результатов измерений (они находятся в области общего хода лучей), что позволяет существенно увеличить точность измерений.

Разработанные методы формирования АВФ применяются при разработке корректоров волнового фронта мощных лазерных систем и СГ для контроля асферических зеркал.

Данная работа была выполнена в рамках проекта РФФИ 12-02-01118-а и междисциплинарного интеграционного проекта № 112, поддержанного Президиумом Сибирского отделения РАН.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Chang Yu-Chun, Burge J.H. Error analysis for CGH optical testing// Proc. SPIE. 1999, 3782, P. 358-366.

2. Arnold S. M., Maxey L., Rogers J., Yoder R. Figure metrology of deep general aspherics using a conventional interferometer with CGH null//Proc. SPIE. 1995, 2536, P.106-116.

3

. Poleshchuk A.G., Churin E.G., Koronkevich V.P., Korolkov V.P. etc. Polar coordinate laser pattern generator for fabrication of diffractive optical elements with arbitrary structure//Appl. Opt. 1999, 38, P. 1295-1301.

4 Burge J., et al. Null test optics for the MMT and Magellan 6.5-m //1.25 primary mirrors// Proc. SPIE. 1994, 2199, P. 658-669.

5. Poleshchuk A.G., Nasyrov R.K. Aspherical wavefront shaping with combined computer generated holograms// Opt. Eng. 2013, 52, N9.

© А.Г. Полещук, 2013