撰稿 | 吳迪（ WYROWSKI PHOTONICS 公司，工程師）

剪切干涉技術(shù)是一種應(yīng)用于光學(xué)精密檢測(cè)中的技術(shù)，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，對(duì)環(huán)境影響不敏感等特點(diǎn)而被越來越廣泛地應(yīng)用。這種干涉儀的基本原理是：以被檢驗(yàn)波前自身的、與其被剪開的波前之間在重疊范圍內(nèi)相干涉，來評(píng)價(jià)被檢驗(yàn)波前本身的缺陷。

目前已有的剪切干涉儀器可以根據(jù)剪切的方向?qū)⑺鼈兎譃?strong>橫向剪切、徑向剪切、旋轉(zhuǎn)剪切和反轉(zhuǎn)剪切。或者根據(jù)剪切方式區(qū)分為平板剪切干涉儀、薩瓦偏光鏡干涉儀、渥拉斯特棱鏡干涉儀和光柵剪切干涉儀。

其中，傳統(tǒng)的基于光柵的剪切干涉儀需要光柵的兩次橫向移動(dòng)以實(shí)現(xiàn) x 和 y 方向相移，和兩次軸向移動(dòng)以調(diào)整 x 和 y 方向的剪切量。也就是說，為了得到完整的二維剪切信息，這些系統(tǒng)需要四軸的機(jī)械控制，這給干涉儀的實(shí)際操作和應(yīng)用都帶來了難度。

為了解決這一問題，近日，來自美國(guó)北卡羅來納大學(xué)夏洛特分校的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)提出了一種基于幾何相位光柵的剪切全息系統(tǒng)，可以通過僅控制一個(gè)機(jī)械軸（而不是四個(gè)）來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的可變剪切干涉測(cè)量。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)未來的緊湊型干涉儀設(shè)計(jì)具有重要意義。

該成果以 Variable shearing holography with applications to phase imaging and metrology 為題發(fā)表在 Light: Advanced Manufacturing。

基于幾何相位光柵的剪切干涉儀工作原理

偏振光柵，也稱為幾何相位光柵（geometric-phase gratings, 縮寫：GP），是一種基于液晶聚合物的光柵，其衍射角取決于光的偏振和波長(zhǎng)。GP 光柵可以分別以正衍射角和負(fù)衍射角衍射右旋圓偏光（RHCP）和左旋圓偏光（LHCP），根據(jù)光柵公式（名詞解釋>），衍射角直接與波長(zhǎng)和光柵周期有關(guān)。

如圖1所示，當(dāng)兩個(gè) GP 光柵連續(xù)放置時(shí)，空間域中的橫向剪切就實(shí)現(xiàn)了。在這種設(shè)置中，兩個(gè)相同的 GP 光柵沿相同的軸和方向?qū)R。這樣，第一個(gè) GP 光柵使入射光束偏轉(zhuǎn)角度 +/- α，第二個(gè) GP 光柵通過將光束衍射到 -/+ α 來補(bǔ)償這種偏轉(zhuǎn)。調(diào)整第一個(gè)和第二個(gè) GP 光柵之間的距離可以調(diào)整兩個(gè)干涉波的剪切量，如圖 2 所示，實(shí)現(xiàn)可用于可調(diào)剪切干涉測(cè)量的獨(dú)特屬性。

圖1：線偏振光情況下基于 GP 光柵的剪切干涉測(cè)量原理。圖源：Light：Advanced Manufacturing / 圖譯：吳迪

在 x 和 y 方向上同時(shí)剪切

如圖 2 所示，將光柵翻轉(zhuǎn) 90 度使 x 方向轉(zhuǎn)變?yōu)?y 方向，則可以實(shí)現(xiàn)沿 y 軸的剪切。采用一系列四個(gè) GP 光柵的干涉儀可以在 x 和 y 方向上同時(shí)進(jìn)行剪切。該系統(tǒng)總共使用 了 4 個(gè)光柵：一對(duì)光柵用于 x 方向剪切，另一對(duì)光柵用于 y 方向剪切。

圖2：球面波在距離 z = 350 mm 的情況下的干涉圖示例，在 x 和 y 方向具有不同的剪切量。圖源：Light: Advanced Manufacturing

固定剪切量旋轉(zhuǎn)剪切軸

另一種不同的裝置是保持兩個(gè)光束之間的固定剪切，即兩個(gè)光柵的相對(duì)位置不變，通過旋轉(zhuǎn)剪切軸來調(diào)制條紋，如圖 3 所示。這種配置則只需要一對(duì) GP 光柵，所以比圖 2c 的配置更緊湊。

圖3：距離 z = 250 mm 的球面波的干涉圖示例，具有恒定的剪切和不同的光柵旋轉(zhuǎn)角。圖源：Light：Advanced Manufacturing

并且，由于干涉儀的輸入線偏振光被轉(zhuǎn)換成了左右圓偏振分量，因此需要使用偏振器使這兩種波發(fā)生干涉。也就是說，通過旋轉(zhuǎn)偏振器，可以得到兩個(gè)波的不同的相移，從而創(chuàng)建一系列相移干涉圖，如圖 4 所示。

圖 4：a.一個(gè)振幅恒定的球面波在到達(dá)線性偏振器之前的強(qiáng)度分布。b. 線性偏振器后的強(qiáng)度，用于偏振器的四個(gè)不同角度，以在干涉波之間產(chǎn)生0、π/2、π 和 3π/2 的相移。圖源：Light：Advanced Manufacturing 

作者隨后使用多剪切波前重建技術(shù)進(jìn)一步評(píng)估了具有上述兩種配置的干涉儀的性能。

結(jié)果表明，具有固定剪切量但可調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)剪切軸的 GP 光柵， 配合像素化偏振相機(jī)的配置可以為穩(wěn)健的測(cè)量提供剪切選擇，同時(shí)還保持了相移的能力。這相比需要四軸機(jī)械控制的傳統(tǒng)剪切干涉儀來說，系統(tǒng)復(fù)雜性大大減小，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為緊湊、穩(wěn)定，因此基于 GP 光柵的剪切干涉儀的優(yōu)勢(shì)十分明顯。

論文信息

Shanmugam et al. Light: Advanced Manufacturing (2022)3:16

https://doi.org/10.37188/lam.2022.016

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