Способы проверки качества лазерной оптики

Введение

Поверка оптических приборов – важный этап как при подготовке опытных образцов, так и в массовом производстве. Комплектующие приборы, предназначенные для работы с высокомощными лазерами – линзы, различные зеркала, призмы – должны быть не только очень качественными, но и прочными, практически не чувствительными к высоким температурам. Современные производители применяют разнообразные методы спецификации, разрабатывают собственные схемы и вспомогательные инструменты, облегчающие процесс поверки. К передовым методам спецификации и метрологии лазерной оптики относится атомно-силовая микроскопия, интерферометрия, применение датчиков Шака-Гартмана, спектрофотометров.

Спектроскопия внутрирезонаторного затухания

Спектроскопия внутрирезонаторного затухания – метод, изначально используемый для определения состава газа, применяется в метрологии лазерной оптики для измерения характеристик чувствительности оптических покрытий. В этом методе анализируемая газовая проба помещается в объем высокодобротного оптического резонатора, что позволяет достичь эффективной длины оптического пути порядка нескольких километров. Измеряемой величиной является скорость затухания короткого лазерного импульса прошедшего через резонатор. Эта величина непосредственно связанна с потерями (в том числе на поглощение анализируемым газом) внутри резонатора. Метод предъявляет жесткие требования к качеству зеркал резонатора, коэффициент отражения которых должен быть не менее 99.995%, что позволяет регистрировать поглощение вплоть до уровней ~10^-10.

Рисунок 1. Затухание в резонаторе проиллюстрировано графиком зависимости абсолютной интенсивности от времени: огибающая графика явно показывает экспоненциальное затухание сигнала в резонаторе

Интенсивность сигнала в резонаторе определяется формулой:

             (1)

где I₀ – интенсивность исходного пучка, Ƭ – потери в резонаторе на поглощение, пропускание, рассеяние, t – время, c – скорость света и L – длина резонатора.

Потери в резонаторе определяются экспериментально для каждого зеркала отдельно. Также для определения потери одного зеркала требуется провести несколько тестов. Пары зеркал выбираются последовательно, затем сравниваются друг с другом – пара А, принятая за опорную, с парой В, пара В с С и т.д. Таким образом, можно выделить несколько этапов измерения коэффициента пропускания Т:

        (2)

где M_1, M₂ – потери двух опорных зеркал на отражение, M₃ – потери на отражение тестируемого зеркала. Среда в резонаторе принята за вакуум. Сведения из таблицы 1 наглядно демонстрируют высокую эффективность метода при регистрации слабых сигналов. Спектроскопия внутрирезонаторного затухания характеризуется малым поглощением и высоким отражением за счет высокой добротности зеркал.

Метод подходит для измерения коэффициента пропускания покрытия, достаточно лишь поместить образец в резонатор и проследить за изменением показателей – поглощение резко возрастет. Одним из основных требований к реализации спектроскопии внутрирезонаторного затухания является стерильность – любые загрязнения на поверхности зеркал приводят к значительной погрешности.

Таблица 1. Измерение коэффициента отражения зеркала и потерь в резонаторе

Атомная силовая микроскопия

Атомная силовая микроскопия – вид сканирующей микроскопии, применяемый для топографии поверхностей с разрешением порядка атома (см. рис. 2). Поверхность сканируется сверхтонким зондом с заостренным наконечником, размеры которого составляют порядка нанометров. Визуализация поверхности наблюдается в трехмерном пространстве, движение зонда осуществляется через керамические пьезоэлектрические приводы.

В лазерной оптике атомная силовая микроскопия используется для определения неровностей, поскольку эффекты рассеяния и локальный перегрев участков пропускающей оптики могут привести к повреждениям. Трехмерная визуализация поверхности имеет разрешение порядка нескольких ангстрем.

Рисунок 2. Топография поверхности дифракционной решетки, полученная методом атомной силовой микроскопии

В атомной силовой микроскопии выделяют несколько режимов сканирования: контактный и прерывистый. При контактном режиме зонд на протяжении всего времени находится в контакте с поверхностью, в прерывистом режиме зонд движется с резонансной частотой – соприкосновение с поверхностью происходит лишь на очень короткое время. Минимальное время взаимодействия поверхностей и сканирующего зонда позволяет избежать повреждений особенно хрупких поверхностей и тканей, однако прерывистый режим сложен в реализации и требует предварительных расчетов резонансной частоты, скорости передвижения зонда.

Контактный режим позволяет получить более точные результаты при топографии, но при этом повышается риск повреждения. В обоих режимах для визуализации поверхности используется лазерный источник, излучение которого отражается от поверхности и попадает на матрицу приемника: так, информация о подъеме и любом смещении зонда сохраняется на матрице приемного устройства, как проиллюстрировано на рис. 3.

Рисунок 3. Схема процесса сканирования методом атомной силовой микроскопии в режиме прерывания

Форма и размер сканирующего зонда играет самую важную роль при визуализации, поскольку влияет на пространственное разрешение изображения. Обычно зонд подбирается в зависимости от требований к получаемому снимку. Чем меньше и острее зонд по форме, тем выше продольное разрешение изображения. Сверхтонкие зонды имеют большие времена сканирования и достаточно затратны в производстве.

Расстояние от конца зонда до поверхности определяет вертикальное разрешение атомного силового микроскопа. Механические и электрические шумы ограничивают разрешение по вертикали, очевидно, что при уровне шума, превышающем сигнал, получить качественное изображение невозможно. Расстояние от сканирующего зонда до поверхности необходимо строго контролировать – в особых случаях даже тепловое расширение наконечника зонда может стать причиной значительных искажений.

Атомная силовая микроскопия – метод аттестации поверхностей различных оптических элементов, при этом минимальные размеры исследуемых образцов могут составлять порядка 100 х 100 мкм. Метод отличается наглядностью данных, поэтому эффективен для аттестации серий на промышленных предприятиях.

Дифференциальная интерференционно-контрастная микроскопия

Дифференциальная интерференционно-контрастная микроскопия применяется для обнаружения микродефектов поверхности пропускающих материалов, в частности для обнаружения повреждений, возникших в результате облучения лазером (рис. 4). Традиционные методы микроскопии светлого поля малопригодны для исследования таких образцов, поскольку не позволяют достичь необходимого контраста картины, а применение метода дифференциальной интерференционно-контрастной микроскопии облегчает детализацию рассматриваемых микроструктур, повышает разрешающую способность микроскопа. К тому же изображение, получаемое с дифференциального интерференционно-контрастного лабораторного оборудования, кажется объемным.

Рисунок 4. Визуализация поверхности, поврежденной лазерным излучением, методом дифференциальной интерференционно-контрастной микроскопии

Микроскопы, применяемые в данном методе исследования, оснащены поляризаторами и двулучепреломляющими призмами Волластона (также известны как призмы Номарского), с помощью которых пучок разделяется на две компоненты, направления поляризации которых лежат в ортогональных плоскостях (см. рис. 5). С помощью конденсора каждая из компонент преобразуется в параллельный пучок и падает на плоскость образца. Расстояние от выходного зрачка объектива до поверхности образца определяет разрешающую способность микроскопа.

После коллимации компоненты преломляются в призме Волластона, вновь преобразуются в одиночный пучок, далее излучение проходит через поляризационный фильтр (анализатор), ось которого ориентирована перпендикулярно первому поляризатору. Интерференция, обусловленная разницей оптических путей между компонентами поляризации, позволяет получить более яркое и контрастное изображение в видимой области.

Рисунок 5. Типичная схема дифференциального интерференционно-контрастного микроскопа с призмой Волластона, разделяющей излучение на два ортогонально поляризованных пучка

По сравнению с другими методами микроскопии – методами фазового контраста или модуляции Хоффмана, оборудование для проведения исследований описанным методом имеют достаточно высокую стоимость, обусловленную дороговизной производства материалов двулучепреломляющих призм.

Интерферометрия

Интерферометрические методы исследования позволяют наблюдать малые смещения (менее пятой части длины волны), неровности поверхности и изменения показателя преломления в материалах. Такие методы часто применяются при контроле плоскопараллельных пластин, сферических и асферических линз и других оптических компонентов.

Хотя явление интерференции можно объяснить разными способами, чаще всего используется формулировка «суперпозиция амплитуд нескольких волн». Для наблюдения интерференции обычно используются источник когерентного света. Возможна такая ситуация, что в одной точке наблюдается встреча фотонов разной поляризации. В подобном случае также следует учесть векторную составляющую у электромагнитных колебаний. Так, в случае их не взаимной перпендикулярности или присутствия у одного из пучков света круговой (эллиптической поляризации), интерференция также возможна.

При встрече в точке на экране двух волн равной амплитуды в противофазе возникает гашение волн или деструктивная интерференция. Возможна и прямо противоположная ситуация, когда две волны встречаются в точке совпадения фаз, и амплитуды колебаний среды складываются. Это явление называется интерференционным усилением волн или конструктивной интерференцией (рис. 6).

Рисунок 6. Конструктивная (слева) и деструктивная интерференция (справа): оба случая применяются для определения характеристик поверхности

Пучок, вышедший из источника излучения, преломляется на светоделительной пластине, разделяясь на две составляющие – опорный и объектный пучки, которые образуют интерференционную картину из-за разности хода, а впоследствии рекомбинируются и попадают на приемное устройство. Конструктивная и деструктивная интерференция, составляющая интерференционную картину, создает видимый контраст (проиллюстрировано на рис. 7). Интерферометрический метод исследования поверхности фактически заключается в измерении и сравнении разности оптических путей, пройденных опорным и объектным пучками. Таким образом измеряют качество поверхностей как отражающих, так и пропускающих оптических компонентов.

Рисунок 7. Пример визуализации поверхности методом интерферометрии (слева), светлые участки соответствуют конструктивной интерференции, темные – деструктивной, интерферометрия позволяет восстановить трехмерное изображение поверхности (справа)

В интерферометрии используются различные конфигурации интерферометров, распространенные схемы приведены на рис. 8. В интерферометре Маха-Цендера, к примеру, используется одна светоделительная пластина для разделения пучка на две составляющие. Рекомбинация пучков происходит во второй светоделительной пластине, далее излучение попадает на фотоприемник. В интерферометре Майкельсона для разделения и рекомбинации излучения применяется один светоделитель. Разновидностью конфигурации Майкельсона является интерферометр Тваймана-Грина, где используется монохроматический источник. В интерферометре Фабри-Перо реализована многолучевая интерференция, потому иногда эту конфигурацию называют «резонатором Фабри-Перо».

Рисунок 8. Распространенные конфигурации интерферометров: показаны расположения светоделителей, направляющих и частично пропускающих зеркал

Искажение интерференционной картины появляется из-за частиц пыли, оседающих на поверхности оптических компонентов и/или на поверхности исследуемого образца. С другой стороны, интерференционные методы исследования поверхностей позволяют обнаруживать мельчайшие неровности и несовершенства, а также измерять их с высокой точностью. Сложность состоит в строгом контроле оптических путей и достаточно определенном контроле соотношения сигнал/шум.

Датчики волнового фронта Шака-Гартмана

Волновой фронт, на поверхности которого сохраняется постоянство фазы, называется плоским. Плоский волновой фронт (плоская волна) распространяется в направлении оси, перпендикулярной плоскости волнового фронта. Плоской волной можно считать параллельные пучки излучения (см. рис. 9).

Аберрации в оптических системах, возникающие в результате несовершенства самих компонентов и погрешностей наведения, можно измерить сравнением погрешностей распространения и отражения излучения и при необходимости минимизировать ошибки.

Рисунок 9. Идеально коллимированный свет обладает плоским волновым фронтом, свет, расходящийся или сходящийся после идеальной линзы без аберраций, будет иметь сферический волновой фронт

Датчики волнового фронта Шака-Гартмана предназначены для измерений отклонений формы исследуемого волнового фронта от формы опорного волнового фронта. Существует три базовых конфигурации сенсоров: сенсоры Шака-Гартмана, интерферометры сдвига и сенсоры кривизны. Каждый обладает собственным преимуществом в уровне шума, точности, чувствительности и простоте эксплуатации с ПО и деформируемыми зеркалами. Среди всех перечисленных самым распространенным видом является сенсор Шака-Гартмана.

Сенсор состоит из матрицы микролинз, которая расщепляет падающий пучок на множество лучей, каждый из которых регистрируется на ПЗС матрице, расположенной в фокальной плоскости матричной линзы. Если однородная плоская волна падает на сенсор волнового фронта (см. рисунок 10), фокальное пятно формируется по направлению оптической оси элементарной линзы. Все эти пятна формируют сетку в фокальной плоскости.

Однако если волновой фронт неоднороден (любая естественная, т. е. неплоская волна), фокальные пятна будут смещены от оптической оси каждой элементарной линзы на некоторое расстояние. Величина сдвига центра каждого пятна пропорциональна отклонению волнового фронта от положения конкретной элементарной линзы. Фаза волнового фронта может быть восстановлена на основе информации о постоянном смещении элементарной линзы (рис. 11).

Рисунок 10. Любое отклонение волнового фронта от плоской формы приводит к смещению фокальных пятен на матрице приемного устройства детекторов Шака-Гартмана

Четыре параметра, влияющих на качество сенсора – это количество микролинз в матрице, динамический диапазон, возможность измерения чувствительности и фокусное расстояние матрицы микролинз (типичные значения лежат в диапазоне от нескольких миллиметров до 30 мм).

Преимущество датчиков перед интерферометрами заключается в точности измерений волнового фронта. Фокальное пятно, полученное с помощью каждой отдельной линзы, должно охватывать как минимум 10 пикселей сектора матрицы. Чем больше площадь фокального пятна, тем выше чувствительность датчика и тем ниже динамический диапазон. При этом верхняя граница площади фокальных пятен не должна превышать половины сектора матрицы – это необходимо для оптимального соотношения между динамическим диапазоном и чувствительностью.

Увеличение количества микролинз в матрице, конечно, позволяет увеличить пространственную разрешающую способность, однако при этом способствует снижению количества пикселей в секторах матрицы приемного устройства. Матрицы, составленные из микролинз с большими диаметрами, позволяют достичь большей чувствительности и применяются для измерений медленно колеблющихся волновых фронтов. Восстановление волнового фронта, полученного с помощью таких матриц, сопровождается некоторыми неточностями из-за сглаживания.

Спектрофотометры

Спектрофотометры предназначены для измерений пропускательной способности и преломления оптических компонентов, а также применяются при спецификации различных оптических покрытий (рис. 11). Обычный спектрофотометр состоит из источника широкополосного излучения, монохроматора и приемника (рис. 12). Излучение попадает на входную щель монохроматора, в монохроматоре расщепляется на диспергирующем элементе (призма или дифракционная решетка). Выходная щель монохроматора пропускает лишь узкую полосу излучения и подавляет другие длины волн, этот узкий пучок и служит подсветкой образца. Изменение угла расположения призмы или решетки позволяет регулировать длины волн, проходящие через выходную щель. Отраженный и преломленный свет распространяется далее и достигает приемного устройства, где и рассчитывается показатель преломления оптического компонента на данной длине волны.

Рисунок 11. Пример спектра отраженного излучения, полученного при экспертизе зеркала, предназначенного для эксимерных лазеров, спектрофотометром

Рисунок 12. Контрольная длина волны спектрофотометра легко регулируется отклонением призмы и дифракционной решетки в монохроматоре

Источник света должен быть очень стабильным, при этом излучение должно иметь достаточную интенсивность в широком диапазоне длин волн, чтобы минимизировать погрешности. Вольфрамовые галогенные лампы являются одним из наиболее часто используемых источников света для спектрофотометров из-за их длительного срока службы и способности поддерживать постоянную яркость.

Чем меньше ширина щелей монохроматора, тем выше спектральное разрешение спектрофотометра. Однако уменьшение ширины щелей также уменьшает передаваемую мощность и может увеличить время получения показаний, возрастет и уровень шума.

В спектрофотометрах используются разные виды приемников в зависимости от рабочего диапазона длин волн. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) и полупроводниковые фотодиоды являются распространенными приемниками для спектрофотометров, они применяются для УФ, видимого и ИК детектирования. В ФЭУ используется фотоэлектрическая подложка для достижения более высокой чувствительности по сравнению с детекторами других типов. Когда свет падает на эту подложку, фотоэлектроны высвобождаются и возникает вторичная электронная эмиссия, благодаря чему повышается коэффициент усиления. Высокая чувствительность ФЭУ подходит для работы с излучением низкой интенсивности. Полупроводниковые фотодиоды, лавинные фотодиоды, являются более доступной альтернативой ФЭУ, однако фотодиоды имеют больший шум и меньшую чувствительность.

Большинство спектрофотометров предназначены для использования в УФ, видимой и ИК областях спектра. Некоторые спектрофотометры разработаны специально для дальней УФ области и охватывают диапазон 10 – 100 нм. Спектрофотометры дальней УФ области оснащены дифракционными решетками с очень малым периодом – это необходимо для эффективной дифракции излучения этого диапазона.

© Edmund Optics Inc.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Edmund Optics на территории РФ