相位调制式光学材料应力双折射测量方法研究

To meet the requirement in advanced optical manufacturing forthe measurement method of residual stress-induced birefringence in optical materialswith high accuracy and sensitivity, a method for the measurement of stress-inducedbirefringence of optical materials by the modulated way and folded optical setupis proposed. The technologies such as phase modulation of polarization, harmonicanalysis based on lock-in amplified processing or discrete Fourier analysis, andautomatic testing by home-developed software will be used. The principal errors inthe measurement system will be investigated and excellent accurate will be obtained.The main research topics are: a) the principles and mathematical model of themeasurement of stress-induced birefringence of optical material by modulation methodwith folded optical setup; b) the analysis and control of the main sources of errors;c) the design and build of experimental system, and the calibration of the keytechnological specifications. The research objectives: the uncertainty of themeasurement of stress-induced birefringence will be 0.5nm/cm; the measurement range will be 0～λ/4 for optical path difference and -π/4～π/4 for the azimuthal angle. This approach is expected to have better efficiency and measurement uncertainty thanthe commonly used methods, and could be used in the modern scientific research fieldssuch as the development of advanced optical material, projection of inertial confinedfusion, development of optical imaging system for EUV lithography. This method alsois expected to have important theoretical significance and application value.

针对先进光学制造迫切需要高精度高灵敏度的光学材料残余应力双折射测量方法的需求，提出研究一种折返共光路相位调制的应力双折射测量方法，采用偏振相位动态调制、锁相放大谐波分析或离散傅立叶分析、程序自动测控等技术手段，并分析各主要环节误差对最终测量结果的影响，实现对残余应力双折射的高精度测量。主要研究内容：a) 研究折返共光路相位调制式双折射测量原理方法、数学模型；b)分析各误差环节及控制主要误差源；c)实验设计、实验装置构建及重要技术指标标定研究等。预期可达的研究目标：应力双折射光程差的测量不确定度0.5nm/cm，测量范围为0～λ/4，主应力方向为-π/4～π/4，测量不确定度及测试效率优于传统测量法。项目完成后，可为我国正在开展的先进光学材料制造、惯性约束激光核聚变工程、极紫外光刻成像系统研制等重大专项研究提供一种折返式的光学材料残余应力双折射高精度测试方法，具有重要理论研究意义和应用价值。

光学材料残余内应力的存在会严重影响光学系统性能，当今尖端的空间科学、军事技术、先进光学制造等领域对控制光学材料残余内应力提出了非常高的要求，迫切需要解决高精度高灵敏度的光学材料残余应力双折射测量问题。本项目研究了一种相位调制式折返共光路应力双折射测量方法，采用偏振相位动态调制、谐波分析、离散傅立叶分析、程序自动测控等技术手段，实现了对残余应力双折射的高精度测量。主要研究内容有：a) 研究论证了以光弹调制作为相位调制手段的折返共光路双折射测量原理方法、数学模型；b) 详细设计了实验方案、搭建了实验装置及进行了原理实验研究；c) 研究了测量系统中至关重要的偏光产生、检验的消光比高精度标定问题；d) 提出并研究了一种新型消色差相位延迟器的设计方法；e) 深入研究了光弹相位调制器峰值相位延迟量的标定方法; f）完成了标准试样实测实验及精度标定，分析了主要环节误差对最终测量结果的影响。对标准波片样品的实测结果表明双折射测量相对误差约为1.2‰；在主要误差源中，光弹调制峰值延迟量误差和光源偏振态漂移对测量精度的影响比较大，需加以严格标定及控制；非线性拟合消光比测量方法可达10-5的测量精度。本项目关于高精度消光比检测及消色差相位延迟器的研究成果，可广泛用于各项偏振光学基础及应用研究领域；本项目关于折返共光路偏振相位调制的光学材料残余应力测量方法，探索和解决了高精度高灵敏度应力双折射测量问题，可为现代光电科技发展提供方法和技术保障，也能直接应用于先进光学材料研究、惯性约束激光核聚变工程、极紫外光刻成像镜头研制等前沿科技领域，具有重要理论及应用价值。