基于纳米线波导的衍射矢量光分析及高精度波前点衍射干涉仪研究

The point diffraction interferometer(PDI) is a high-accurate instrument for wavefront measurement, whose accuracy is determined by the diffraction element to generate the diffraction wave. The research project proposes an innovative method that a nanowire waveguide which can provide a highly confined light field can be adopted to generate the diffraction wave as the reference wave. With the diffraction element based on the nanowire waveguide a novel point diffraction interferometer can be built up to realize high-accurate wavefront measurement. The diffraction element based on the nanowire waveguide draws the micro-nano optical technology into the traditional field of interferometry and have the advantages of both pinhole PDI and fiber PDI including strong diffraction light with large numerical aperture, easy alignment and flexibility. The research project mainly includes three parts: the first is the solution of the mode in the nanowire waveguide based on the finite difference eigenmode method and the diffraction wave in farfield base on the vectorial diffraction theory; the second is to analyze the propagation characteristics of the nanowire waveguide and the quality of the diffraction wave in farfield, then to optimize the structure parameter of the diffraction element base on the nanowire waveguide; the third is the machining of the diffraction element, the build-up of the interferometric system and the calibration method of the measurement errors. The research combines the interferometry with the micro-nano waveguide, which is going to be useful in a variety of field such as wavefront measurement and quantitative phase microscope.

点衍射干涉仪作为高精度的波前检测技术，其衍射波前的获取结构对检测精度起着决定性的作用。本项目创新性地提出利用纳米线波导来获得强限制的光场，从而获得高质量的衍射参考波前，并基于此构建点衍射干涉仪，实现波前的高精度检测。基于纳米线波导的衍射结构能够产生大衍射角的强衍射光，调整简单且应用灵活，将先进的微纳光学技术溶入到传统的干涉检测领域，兼具针孔型衍射结构和光纤型衍射结构的优势。本项目将基于本征模有限差分算法FDE求解纳米线波导中的模场，并通过矢量衍射理论求解衍射波前；进而对纳米线波导的传输特性及衍射波前质量进行分析研究，通过对纳米线波导的传导和耦合进行优化得出其最优结构设计参数；利用设计加工的纳米线波导点衍射器件搭建新颖的干涉检测系统，结合系统误差校正算法进行高精度波前检测。本研究将传统的干涉检测技术与新型的微纳波导相结合，在国内外尚属首创，在波前检测、生物定量相位检测领域具有广泛的应用前景。

干涉检测技术是光学检测领域中最常用的波前检测方法。传统的干涉检测系统主要有迈克尔逊干涉仪（Michelson Interferometer）、泰曼-格林干涉仪（Twyman-Green Interferometer）以及菲佐干涉仪（Fizeau Interferometer）等，受标准镜加工精度的限制，难以产生高质量的参考波前，从而限制了干涉仪的检测精度。其中被普遍认可为国际行业标准的美国ZYGO公司的GPI系列干涉仪配套的标准参考镜的最高加工精度的PV（Peak to Valley）值一般也只能达到λ/40（λ=633nm）。. 不同于传统的干涉检测系统，点衍射干涉仪借助波长量级的小孔衍射产生的近似理想的球面波前（RMS（Root Mean Square）值在0.0001λ量级）作为参考波前，不需要精密加工的标准镜，从而打破了标准光学元件的加工精度对系统检测精度的限制，因而可以实现亚纳米级的检测精度，并使得检测精度具有较好的再现性。高精度、高稳定性、结构简易和便于用于大型复杂光学系统的在线检测的特点使点衍射干涉仪具有广泛的应用空间，例如高精度球面、非球面面形检测，光刻投影系统等等。. 在点衍射系统中，产生衍射波前的结构称为参考球面波源，是系统核心。为了克服现有球面波源的不足，进一步缩小衍射端面的尺寸，点衍射结构的研究已经发展到微纳光波导器件领域，其加工工艺发展较成熟，能够完成纳米量级结构的加工。因此本项目基于FDE本征模有限差分算法求解微纳光波导中的模场，并通过矢量衍射理论计算衍射波前；进而对纳米线波导的模式传输和耦合效率进行优化设计，并对衍射波前质量进行分析研究；利用设计加工的纳米线波导点衍射参考波源搭建新颖的干涉检测系统，结合系统误差校正算法进行高精度波前检测。基于纳米线波导的衍射矢量光分析及高精度波前点衍射干涉仪研究是一种自主创新的新方法，将传统的干涉检测技术与新型的微纳光波导相结合，将在超精密光学加工与检测领域具有重要的应用前景。