水波干涉衍射的演示与仿真实验设计研究

本文自主设计了一种水波干涉衍射的演示实验仪器,通过光影法进行增强,展示了水波干涉衍射的效果。本文还研究了振动频率、衍射缝宽等不同条件下的干涉衍射现象,并对该现象的原理进行了深入探讨。同时本文基于Matlab开发了一种可视化的水波干涉衍射虚拟仿真实验,具备图形化、直观性等优点。经过与演示实验现象的对比验证了仿真实验的合理性。仿真实验可以更好地应用于大学物理课堂演示。本研究成果可以促进物理学相关领域的研究和应用,对推动相关领域的发展具有重要的意义。

缝宽及缝间距对双缝干涉衍射条纹的影响

双缝于涉衍射条纹的静态分布是:单缝衍射中央主极大内,对称排列着多条干涉亮条纹,中心部较亮,随着向两侧的展开,光强逐渐减弱。

深度学习点衍射干涉三维坐标定位技术

为了提高现有的三维坐标定位技术的测量精度、稳定性和测量效率,提出了基于深度学习的点衍射干涉三维坐标定位方法。该方法设计了一个深度神经网络用于点衍射干涉场的坐标重构,将相位差矩阵作为输入,构建训练数据集,将点衍射源坐标作为输出,训练神经网络模型。利用训练有素的神经网络对测量到的相位分布进行初步处理,将相位信息转换为点衍射源坐标,根据得到的点衍射源坐标进一步修改粒子群算法的初始粒子,进而重构出高精度的三维坐标值。该神经网络为建立干涉场相位分布与点衍射源坐标之间的非线性关系提供了一种可行的方法,显著提高了三维坐标定位的精度、稳定性和测量效率。为验证所提方法的可行性,进行了数值仿真和实验验证,采用不同的方法进行反复对比与分析。结果表明:所提方法的单次测量时间均在0.05 s左右,其实验精度能够达到亚微米量级,重复性实验的均值和RMS值分别为0.05μm和0.05μm,充分证明了该方法的可行性,并证明了其良好的测量精度和可重复性,为三维坐标定位提供了一种有效可行的方法。

基于衍射光栅的干涉式精密位移测量系统

介绍了基于几何莫尔条纹原理和衍射干涉原理的两种光栅精密位移测量系统及各自的特点。综述了国内外对光栅干涉式精密位移测量系统的研究进展,总结了系统存在的关键问题及发展趋势。光栅干涉式精密位移测量系统的优点是对环境要求小,测量分辨率和精度较高,结构紧凑,成本低。该系统需要解决的问题包括提高光栅以及光学元器件制造和安装精度;寻求一种更高精度的检测手段对光栅位移测量系统进行标定等。光栅干涉式精密位移测量系统的发展方向为更高测量分辨率和精度,大量程、多维度测量以及尺寸小巧。该系统在现代工业加工精密制造领域将具有更广阔的应用前景。

基于子孔径拼接的衍射干涉靶丸形貌检测技术

为实现惯性约束聚变实验中核心部件球形靶丸表面形貌的高精度、高效率、无遗漏检测,建立了基于子孔径拼接和衍射干涉技术相结合的靶丸形貌测量装置,给出了测量的基本原理及系统单孔径横向分辨率的计算方法,并对靶丸旋转扫描时子孔径的排布进行了划分。针对点云数据横向间隔过大导致匹配算法迭代收敛速度缓慢,甚至不收敛的问题,提出以虚拟的极小半径代替实际曲率半径,将点云进行横向压缩的方法,在保持形貌特征不变的同时提高算法的匹配速度和准确性。最后,对直径1mm的镀金球靶进行了实际测量,得到拼接后相对形貌误差峰谷值和均方根值分别为1.332λ和0.479λ的检测结果,可以同时获得表面形貌的整体起伏特征,以及局部的形貌细节。

点衍射干涉系统光学结构参数优化研究

采用时域有限差分方法,在分析点衍射波前误差的前提下,讨论了点衍射干涉系统中物镜数值孔径、针孔尺寸、检测的数值孔径对衍射光强的影响;逐步优化光学结构参数,得到不同光学结构参数之间的匹配数值表;通过比较点衍射干涉系统和Zygo干涉仪对球面镜的测量结果,得到测量面形误差的均方根之差为波长的1/1000,且获得的干涉条纹具有合适的对比度和亮度,验证了光学结构参数选择的合理性。

193nm移相点衍射干涉仪的测量误差分析

为了提高移相点衍射干涉仪对193nm投影光刻系统的检测精度,本文对其主要测量误差进行了探讨。在简要介绍了193nm移相点衍射干涉仪的基本结构和测量原理之后,总结了可能对测量结果产生影响的各种误差及其产生的原因。通过理论分析和数值模拟的方法分别对参考波前误差、相移误差、探测器非线性误差以及光源波动、环境变化引起的随机误差等进行了具体分析,从而得到各种测量误差的大小、存在形式以及与干涉仪结构参数的依赖关系,并提出了相应的避免或减小误差的方法。

测量薄膜折射率的光栅衍射干涉方法

根据光的干涉理论,讨论了条纹周期数对测量薄膜折射率不确定性的影响,推导出干涉条纹错位量与薄膜折射率和厚度的关系式.由此提出采用光栅衍射干涉测量薄膜折射率的方法和实验方案.实验表明:该方法的干涉条纹测量精度达λ/10～λ/20,薄膜折射率测量精度可达0.01以上.

可见光移相点衍射干涉仪的测试误差分析

为了实现对极紫外光刻投影物镜非球面反射镜的超高精度检测,引入了可见光移相点衍射干涉仪,介绍了其工作原理,并采用自行设计的十三步移相算法和传统五步移相算法对可见光移相点衍射干涉仪的测试误差进行了详细的理论分析及仿真计算,分析结果证明了十三步算法优越性的同时,也给出了要实现干涉仪的超高检测精度应该限定的测试组件的性能参数。为了验证可见光移相点衍射干涉仪及十三步算法的切实可行性,搭建了原理实验装置,通过40次重复测量取平均值的方法获得被检元件面形。实验结果表明:十三步算法和五步算法的结果相近,但十三步算法的重复性优于五步算法。采用十三步算法,在所构建的实验装置上实现了RMS值优于λ/10 000(λ=632.8 nm)的检测重复性。

移相式点衍射干涉仪的几个关键技术

极紫外光刻技术作为下一代光刻技术的最佳候选技术,为了得到衍射极限的分辨率,光学系统的RMS波像差应小于其工作波长的1/14,约为1 nm,这对检测技术提出了前所未有的要求。本文以应用于极紫外光刻光学系统波像差检测中的移相式点衍射干涉仪为基础,对干涉仪中几个关键技术进行了讨论,并给出了相应的解决方法。

光纤相移点衍射干涉仪关键技术

为了实现光学系统波像差的高精度检测,引入了改进的光纤相移点衍射干涉仪,介绍了其工作原理,并对干涉仪的关键部件包括激光光源及光纤的参数进行了选择和分析。经测试,激光光源功率稳定性约为1%(10 min),光斑尺寸在实现最佳耦合效率允许范围内,光束位置稳定度约为6μm,相干长度为1 cm左右,都在测试精度允许范围内;选择了纤芯直径为3.5μm的单模不保偏光纤,对光纤端面镀半反半透金属膜,实现了较高的条纹对比度和光能利用率,并设计了波前参考源,方便了光纤端面的抛光、镀膜及装卡。最后,利用选择的部件搭建了光纤相移点衍射干涉仪实验装置,为最终能够实现光学系统波像差的高精度检测提供了前期的准备。

光栅点衍射干涉法检测Φ400mm瞬态波前

提出了一种基于光栅点衍射干涉原理的Φ400mm瞬态波前检测方法。该方法使用位相光栅在参考光与测试光中引入横向错位,即在干涉图中引入线性载频,然后利用傅里叶变换相位解调法提取待测波前。基于标量衍射理论以及傅里叶光学理论建立了瞬态波前检测方案的理论模型,推导了线性载频公式,研究了影响载频大小的因素;基于基尔霍夫公式分析了针孔衍射导致的孔径角变化与能量衰减效应,给出了位相光栅的刻蚀深度公式。实验搭建了Φ400mm瞬态波前检测装置,采集了对比度良好的高线性载频干涉图。采用傅里叶变换相位解调法恢复波面,所得波面RMS值为0.105λ。与采用SID-4波前探测器测得的波面RMS值(0.101λ)基本一致,满足了Φ400mm瞬态波前测量的要求。

双光纤相移点衍射干涉仪装调技术

为了实现对极紫外光刻物镜系统波像差的超高精度检测,引入了双光纤相移点衍射干涉仪,介绍了其工作原理,并对干涉仪的装调方案进行了精密的设计。解决了各个元器件的精确定位问题,保证了进入光纤之前的测试光和参考光严格垂直,实现了耦合系统与光纤之间最大的耦合效率和干涉条纹最大的条纹对比度,为最终能够实现极紫外光刻物镜系统波像差的超高精度检测提供了前期准备。装调完毕后,利用实验装置对某一光学系统进行了测量,使用十三步相移算法还原被检光学系统波像差,得到了较好的结果,测试结果为:PV值为37.82 nm,RMS值为7.83 nm。

环形共光路点衍射干涉仪

建立了一种基于偏振掩膜板与环形共路结构的点衍射干涉仪,通过旋转偏振片可以改变参考光与测试光之间的相对光强,实现干涉条纹对比度的调节,能够获得最高对比度的干涉条纹,并且针对条纹对比度进行了详细的理论分析;由于系统中线性载频幅度极易调节,可以有效地改善傅里叶变换法的相位提取精度;验证性实验被完成。

可见光移相点衍射干涉仪的空气扰动误差分析

为了提高可见光移相点衍射干涉仪的测量精度， 对空气扰动误差的分析以及有效的抑制是十分必要的。 利用自行设计的十三步移相算法与传统的五步移相算法对空气扰动误差进行了理论分析与仿真计算，分析结果证明了新算法的优越性，并且通过对干涉仪的空气扰动误差的分析，最终得到了干涉仪工作的环境控制条件， 如果采用十三步移相算法， 保证空气温度变化控制在±0.005 ℃以内，压强变化控制在±1 Pa 以内，水汽压变化控制在±5 Pa 以内，温度梯度变化控制在 0~0.01 ℃范围内，压强梯度变化控制在 0~2 Pa 范围内，最后再对多次测量结果取平均，则空气扰动误差引起的位相误差将在测量精度允许的范围内。 在现有的实验条件下搭建了原理实验装置，实验结果表明：十三步算法和五步算法的结果相近，但十三步算法的重复性优于五步算法。 采用十三步算法，在所构建的实验装置上实现了 RMS 值优于 λ/10 000（λ=632.8 nm）的检测重复性。

衍射光栅外差激光干涉法角振动校准技术研究

开展了角加速度校准方法的研究和基准装置的研制。介绍研制的稳态正弦角振动激励系统和衍射光栅马赫-泽德干涉仪，以及结合采用正弦逼近法外差测量技术。角加速度国家计量基准装置在角振动频率0．05Hz～1．2kHz、角位移大于300。和角加速度大于2000rad／s^2测量范围内，可实现角加速度幅值和相位的精确测量。实验数据和测量不确定度分析结果表明，装置校准高精度角加速度传感器的测量扩展不确定度优于1％（k=2）。

圆光栅衍射光干涉偏心测量方法

光电编码器的测量精度受轴系精度、圆光栅精度、电子学细分精度等多种因素影响,而圆光栅盘的偏心作为重要的系统误差,直接影响了光电编码器的测角精度。随着光栅线密度的增大,衍射现象变得明显,此时传统的莫尔条纹检测方法已无法提取出高质量的信号,显微镜检测的精度无法满足实际要求。本文利用衍射光干涉原理,提取高密度圆光栅位移信息,用于测量高密度圆光栅的偏心量。该方法使用对径放置的两个光电读数头采集干涉条纹信号,通过对比两路信号的相位差最终解算得到圆光栅盘偏心量,并搭建了试验平台进行了验证。试验结果表明,对刻划中径34 mm,一周刻线45 000 lp的高密度圆光栅进行偏心量的测量,比传统方法使用显微镜的测量瞄准精度提高数十倍甚至上百倍。

高密度单光栅衍射光干涉线位移测量系统

为了突破传统的双光栅线位移测量系统结构和原理的限制,使用高密度光栅来提高测量精度与分辨力,介绍了一种采用高密度单光栅测量系统的光学结构,其采用衍射光干涉产生原始信号,具有光学四倍频,采用偏振移相的方法获得四路空间相位相差90°的原始信号。原始信号具有无其他谐波分量、正弦性和正交性好的优点。根据系统设计制作了样机,样机采用4 17 lp/mm的光栅,原始信号周期0.6μm,经过1 024电子学细分后,系统分辨力0.586 nm,将系统的测量结果与HP5528干涉仪进行比较,实验结果表明:系统在100mm测量范围内精度达到0.1μm。这种线位移测量系统结构紧凑,分辨力高,精度高,可在众多需要高精度线位移传感器的场合中应用。

基于光学设计软件的相移点衍射干涉仪建模

为了模拟用于球面面形高精度检测的相移点衍射干涉仪的测试过程,介绍了点衍射干涉仪的基本工作原理,分析了相移点衍射干涉仪的测量误差。利用光学设计软件和自行编制的软件建立了点衍射干涉仪的检测模型,利用该模型分别推导了参考光束和测试光束在干涉场的复振幅分布,模拟了测量过程。根据光的相干理论,通过改变被测镜的位置,实现移相,得到移相干涉图。最后对一设定的被检镜进行实验模拟,生成了两组对称倾斜的13步移相干涉图,对干涉图处理后计算得到了被检镜的检测面形。结果表明,在不引入硬件误差时,由相位提取和波面反演造成的检测面形与设定面形偏差为RMS值0.0783nm,PV值0.5656nm。

基于衍射光栅的高精度干涉星敏感器的理论分析

为克服传统星敏感器精度与视场、体积、质量等参数难以兼顾的问题,本文研究了一种基于衍射光栅的高精度干涉星敏感器结构。利用角谱理论,建立了星光入射角度与探测器上像点质心位置、像点能量之间的数学模型,确定了干涉星敏感器利用像点质心位置和相对能量分别进行粗定位和精定位的方法及粗精定位结合获得星光入射角度的方法,得出干涉星敏感器单星测量角分辨率和光栅周期、两块光栅之间的距离及像点光强信号电子学细分倍数有关的结论。通过计算机仿真模拟,验证了干涉星敏感器精定位及粗精定位结合的可行性。在光栅周期为50μm,两块光栅距离为50 mm,像点光强信号每变化一个周期采用1024倍电子学细分的情况下,单星测量角分辨率达0.1″,与传统星敏感器相比精度有显著提高。