Interferómetro de difracción puntual

Un interferómetro de difracción puntual (PDI) ^{[1] [2] [3]} es un tipo de interferómetro de trayectoria común . A diferencia de un interferómetro de división de amplitud, como un interferómetro de Michelson , que separa un haz no aberrado e interfiere con este en el haz de prueba, un interferómetro de trayectoria común genera su propio haz de referencia. En los sistemas PDI, los haces de prueba y de referencia recorren el mismo camino o casi el mismo. Este diseño hace que el PDI sea extremadamente útil cuando no es posible el aislamiento ambiental o se requiere una reducción en la cantidad de ópticas de precisión. El haz de referencia se crea a partir de una porción del haz de prueba por difracción a partir de un pequeño orificio en un revestimiento semitransparente. ^{[4] [5]} El principio de un PDI se muestra en la Figura 1.

El dispositivo es similar a un filtro espacial . La luz incidente se enfoca sobre una máscara semitransparente (aproximadamente 0,1 % de transmisión). En el centro de la máscara hay un orificio del tamaño aproximado del disco de Airy y el haz se enfoca sobre este orificio con una lente de transformación de Fourier. El orden cero (las frecuencias bajas en el espacio de Fourier ) pasa entonces a través del orificio e interfiere con el resto del haz. La transmisión y el tamaño del orificio se seleccionan para equilibrar las intensidades de los haces de prueba y de referencia. El dispositivo es similar en funcionamiento a la microscopía de contraste de fase .

Los sistemas PDI son una herramienta valiosa para medir las características absolutas de la superficie de un instrumento óptico o reflectante de forma no destructiva. El diseño de trayectoria común elimina la necesidad de tener una óptica de referencia, que se sabe que superpone la forma absoluta de la superficie de un objeto de prueba con sus propios errores de forma de superficie. Esta es una desventaja importante de los sistemas de doble trayectoria, como los interferómetros de Fizeau, como se muestra en la Figura 2. De manera similar, el diseño de trayectoria común es resistente a las perturbaciones ambientales. ^[4]

Las principales críticas al diseño original son (1) que la baja transmisión requerida reduce la eficiencia y (2) cuando el haz se vuelve demasiado aberrante, la intensidad en el eje se reduce y hay menos luz disponible para el haz de referencia, lo que lleva a una pérdida de contraste de franjas. La transmisión reducida se asoció con una relación señal/ruido reducida. Estos problemas se superan en gran medida en los diseños de interferómetros de difracción puntual con desplazamiento de fase, en los que una rejilla o divisor de haz crea múltiples copias idénticas del haz que incide sobre una máscara opaca. El haz de prueba pasa a través de un orificio o abertura algo grande en la membrana, sin pérdidas debido a la absorción; el haz de referencia se enfoca sobre el orificio para lograr la transmisión más alta. En el ejemplo basado en rejilla, el desplazamiento de fase se logra trasladando la rejilla perpendicularmente a las líneas, mientras se registran múltiples imágenes. Los continuos desarrollos en PDI con desplazamiento de fase han logrado órdenes de magnitud de precisión mayores que los sistemas estándar basados ​​en Fizeau. ^[6]

Se han creado versiones con desplazamiento de fase [véase Interferometría ] para aumentar la resolución y la eficiencia de las mediciones. Entre ellas se incluyen un interferómetro de rejilla de difracción de Kwon ^[7] y el interferómetro de difracción puntual con desplazamiento de fase. ^{[5] [6] [8] [9]}

Gary Sommargren ^[11] propuso un diseño de interferómetro de difracción puntual que se derivaba directamente del diseño básico, en el que se utilizaban partes del frente de onda difractado para la prueba y la parte restante para la detección, como se muestra en la Figura 3. Este diseño fue una importante mejora de los sistemas existentes. El esquema podía medir con precisión la superficie óptica con variaciones de 1 nm. El desplazamiento de fase se obtuvo moviendo la parte de prueba con una etapa de traslación piezoeléctrica. ^{[12] [13]} Un efecto secundario no deseado de mover la parte de prueba es que el desenfoque también se mueve distorsionando las franjas. Otra desventaja del enfoque de Sommargren es que produce franjas de bajo contraste ^[14] y un intento de regular el contraste también modifica el frente de onda medido.

En este tipo de interferómetro de difracción puntual, la fuente puntual es una fibra monomodo. La cara final se estrecha para asemejarse a un cono y se cubre con una película metálica para reducir la dispersión de luz. La fibra está dispuesta de manera que genere ondas esféricas tanto para pruebas como para referencia. Se sabe que el extremo de una fibra óptica genera ondas esféricas con una precisión mayor que . ^[15] Aunque los PDI basados ​​en fibra óptica proporcionan algún avance sobre el sistema basado en un solo orificio, son difíciles de fabricar y alinear. ${\displaystyle \lambda \diagup 2000}$

El PDI de dos haces ofrece una importante ventaja sobre otros esquemas al disponer de dos haces orientables de forma independiente. En este caso, el haz de prueba y el de referencia son perpendiculares entre sí, por lo que se puede regular la intensidad de la referencia. De forma similar, se pueden obtener cambios de fase arbitrarios y estables en relación con el haz de prueba, manteniendo estática la pieza de prueba. El esquema que se muestra en la Figura 4 es fácil de fabricar y proporciona condiciones de medición fáciles de usar similares a las de los interferómetros de tipo Fizeau. Al mismo tiempo, ofrece los siguientes beneficios adicionales:

1. Forma absoluta de la superficie de la pieza de prueba.
2. Alta apertura numérica (NA = 0,55).
3. Patrones de flecos claros de alto contraste.
4. Alta precisión en las pruebas de forma de superficie (error RMS del frente de onda 0,125 nm).
5. Repetibilidad RMS simple 0,05 nm.
6. Puede medir piezas de prueba despolarizantes.

El dispositivo es autorreferencial, por lo que se puede utilizar en entornos con muchas vibraciones o cuando no se dispone de un haz de referencia, como en muchos escenarios de óptica adaptativa y de longitud de onda corta.

La interferometría se ha utilizado para diversas caracterizaciones cuantitativas de sistemas ópticos que indican su rendimiento general. Tradicionalmente, los interferómetros Fizeau se han utilizado para detectar formas de superficies ópticas o pulidas, pero los nuevos avances en la fabricación de precisión han hecho posible la interferometría de difracción puntual industrial. La PDI es especialmente adecuada para mediciones de alta resolución y alta precisión en condiciones de laboratorio y en plantas de fabricación ruidosas. La falta de ópticas de referencia hace que el método sea adecuado para visualizar la forma absoluta de la superficie de los sistemas ópticos. Por lo tanto, una PDI es especialmente adecuada para verificar la óptica de referencia de otros interferómetros. También es inmensamente útil para analizar conjuntos ópticos utilizados en sistemas basados ​​en láser. Caracterización de ópticas para litografía UV. Control de calidad de ópticas de precisión. Verificación de la resolución real de un conjunto óptico. Medición del mapa de frente de onda producido por ópticas de rayos X. La PS-PDI también se puede utilizar para verificar la resolución nominal de la óptica espacial antes de su implementación.

• Interferometría

• Asegurarse de que la cámara espacial esté lista para el trabajo antes de su despliegue: un estudio de caso del fabricante de interferómetros Difrotec OÜ.