撰写：杨振营

修：韩志刚

1 平行平板元件及其重要应用

平行平板类元件由两个平行度极高的折射平面构成，通常要求具有良好的表面面形分布和折射率均匀性分布。除了高功率激光玻璃、激光晶体、高能激光窗口外，大口径平行平板类元件还广泛应用于精密测量、计算成像、空间遥感、定向能武器、集成电路制造等关键国计民生领域，例如大口径标准镜、计算全息图的制造基板[7]、卫星窗口[8]、光电吊舱球形罩和光刻晶圆[9]，如图1所示，其面形和均匀性优劣，直接决定了干涉测量精度、光学系统成像质量、激光发射系统光束质量和芯片生产良率。

    

         （a）激光钕玻璃                                                     （b）CGH基板

         

                       （c）平板窗口                                                          （d）吊舱球罩

图1 典型的大口径平行平板光学元件及其应用场景。

2 平行平板的面形测量

由于前后表面的平行度很高，在使用基于单频激光器（如HeNe激光器）的干涉仪进行检测时，平板前表面和后表面的反射波前都会参与干涉信号的形成，形成多组条纹互相串扰的现象。检测如下图2光路所示，最终生成的串扰条纹由TF与平板前表面干涉信号、平板前表面和后表面干涉信号、TF与平板后表面干涉信号组成。因此，有效分离多表面之间的串扰条纹是实现平行平板检测的关键。

图2 平行平板产生的串扰条纹的产生原理。

2.1 MST的局限性

在平行平板测量技术发展初期，通常是在样品表面涂抹凡士林等油性涂料，尽量消除平板前表面和后表面的串扰条纹。该方法极易污染或损坏样品表面，同时，一次只能得到一个表面的反射波前信息，操作比较繁琐。

波长调谐光源促进了平板检测技术的进步，通过改变激光的波长，同时调制不同干涉腔的相位，每个干涉腔长对应唯一的空间频率，实现平行平板多组干涉信号在频域中的分离，简化了测量步骤，也就是MST方法。图3(a)是基于波长调制方法的平行平板参数测量光路示意图，图3(b)是由波长调谐干涉信号得到的干涉频谱信息，不同干涉腔长对应不同的频率峰值，通过傅里叶变换方法可以得到对应波面。

图3 (a)波长调制法平行平板测量光路示意图；                               (b)波长调制法得到的干涉频谱分布图。

然而，波长调制方法也存在局限性。首先，该方法的精度和可靠性依赖波长调谐激光器的调谐特性，具体来说，波长调谐范围决定了可测平板厚度，调谐中的非线性、跳模等会使不同空间频率的干涉信号出现频谱混叠，导致不同表面的干涉频谱不能有效分离，影响面形测量精度。同时，波长调制方法通常要采集一系列干涉图，采样时间较长，环境振动或空气湍流将对测量结果造成不可忽视的影响，极易导致不同空间频率的干涉频谱无法分离，在大口径测试系统中，尤其是口径增加到600mm、800mm时，环境振动更是无法完全避免的，这就限制了该方法在大口径平板测试中的进一步应用。

图4 振动下的频谱混叠现象。

综上，对于波长调制方法来说，一台性能良好的可调谐光源是必不可少的，这通常意味着较高的成本，同时，对于大口径平板的检测来说，还要长时间维持一个稳定的外部环境，这通常是困难的，尤其是在实际的光学加工检测车间中，基本无法实现振动隔离。

2.2 偏振短相干方法的局限性

近年来，短相干光源不断发展，其在干涉测量中的地位也愈加重要。因为只在特定光程下干涉，通过光程匹配，可以精确地分离平行平板的串扰条纹，同时抑制杂散光产生的寄生条纹，一定程度上提高了仪器的测量精度[]。短相干光源通过正交偏振光程匹配装置，将其分具有不同延时量的S光和P光，通过全自动延迟器，匹配两只光的光程，对平行平板测试光路中的各个表面进行精确定位，并基于微偏振阵列实现同步移相，具有振动免疫能力^[1]。

然而，在大口径系统中，由于应力分布不均匀和参考、测试光偏振方向不一致的问题，将产生不可忽视的移相误差，而且口径越大，应力误差也随之加剧^[2,3]。图5(a)和(b)分别是使用偏振正交光源和线偏振HeNe激光时，300mm口径动态斐索干涉仪的空腔测试结果。结果表明，与线偏振激光的结果相比，偏正正交光源测得的面形分布明显受应力分布趋势影响，面形结果偏大且不再准确。因此，为避免大口径系统中的应力误差，需要一种新型短相干光源。

 

（a）                                                                （b）

图5 300mm斐索偏振移相动态干涉仪空腔面形(a)正交偏振短相干光源；(b)线偏振HeNe激光。

3 斐索干涉仪升级全新偏振无关短相干光源

为克服大口径系统的应力误差，同时提高测量结果的精度，南京英特飞公司提出一种新型偏振无关短相干光源^[4]。全光纤光程匹配系统中，全部采用线偏振分束与合束器件，最终输出两路偏振方向相同的延迟光和非延迟光。新型偏振无关短相干光源如图6所示。

图6 全新偏振无关型短相干光源。

最新推出的线偏振输出短相干光源系统，与传统斐索干涉仪主机完美适配。光源通过单模保偏光纤输出，实现即插即用，无需对斐索干涉仪主机进行额外操作，对光学元件的偏振像差免疫。同时，光源内部集成稳频HeNe激光器，通过光开关实现两种光源模式的复用。更换全新短相干光源的斐索干涉仪，依然采用PZT移相方法，保证测量结果的高精度和重复性。图7为使用偏振无关短相干光源，基于PZT移相方法得到对小口径平行平板进行测量的结果。

图7 (a)平板测量光路和串扰信号；(b)光程扫描得到的各个表面的干涉包络位置、不同表面的反射波前和面形分布；(c)由不同表面反射波前得到的光学均匀性。

4 斐索干涉仪升级偏振无关PZT调制短相干光源

4.1 800mm大口径干涉仪配备偏振无关PZT调制短相干光源

虽然偏振无关短相干光源能够避免正交偏振光源在大口径系统中的应力误差，但是，实现大口径，尤其是600mm、800mm标准镜的无倾相、高重复性机械移相是困难的。因此，我司针对超大口径短相干斐索干涉仪的PZT移相难题，提出一种复合调制短相干光源，将PZT移相模块集成到全光纤光程匹配系统中，通过PZT调制光程实现无倾相和高重复性移相。同时，光源模块可以选择集成波长调谐激光器，通过光开关实现两种光源的复用。针对大口径系统，测量软件还配备主动抗振PTI算法模块^[5]，实现振动环境中大口径平行平板面形的高精度测量。图8是采用波长调谐激光器测得的800mm干涉仪空腔干涉条纹和面形分布，空腔精度PV优于λ/10@633nm。图9是采用偏振无关PZT调制短相干光源得到的800mm空腔干涉图和面形分布，因为短相干光源有四个光场参与干涉，所以原始干涉条纹背景较明显，拉伸后的干涉图对比度良好，面形分布与PV结果与MST结果一致，表明该光源能够保证干涉仪准确度和精确度。

 

图8波长调谐光源得到的800mm空腔结果。干涉图（左图），波面结果（右图）。

  

图9 复合调制短相干得到的800mm空腔结果。原始干涉图（左图），拉伸后的干涉图（中图），波面结果（右图）。

4.2 800mm平行平板均匀性测量示例

如图10所示，按照TF、待测平板、RF的顺序摆放各元件，其中，待测平板中心与TF反射面的距离约为光程扫描系统光程差的一半，对本次实验所使用的光源来说，该距离约710mm。通过复合调制短相干光源的光程扫描，得到待测平板前表面和后表面的相干包络，实现表面定位，并通过PZT移相结合PTI主动抗振算法，实现振动环境中的表面面形解算。具体步骤和结果如下。

图10 800mm口径平行平板测试光路装置图。

（1）获取干涉仪空腔面形。

在待测平行平板放入干涉腔中之前，通过波长调谐移相方式获得干涉仪TF与RF的空前面形，并进行保存，方便后续计算光学均匀性。空腔干涉条纹如图12(a)所示，空腔面形计算结果如图12(b)所示。

 

图12 800mm斐索干涉仪空腔测试结果

（2）对平行平板前表面和后表面进行粗定位。

将平行平板放入干涉腔中，平板中心与TF反射面距离为光程扫描系统光程差的一半（本光源为710mm）。此时光源为激光，调节待测平板姿态，使其前表面和后表面反射光点均进入对点器中部，调节TF姿态，观察到串扰条纹，将条纹数量调整为合适数量。

切换复合调制短相干光源，点击PhaseSight的短相干测量功能，弹出短相干光源光程扫描模块，如图13所示。根据元件摆放的具体位置和元件的具体光学厚度，设置光程扫描的开始位置和结束位置，并设置扫描步进。开始和结束位置要保证大于待测平板的光学厚度，光程扫描步进需要小于短相干光源相干长度的一半（此处为200um），避免扫描过程中错过相干峰值。同时，粗扫过程保持较大的扫描步进，能显著提升检测效率，如与精细扫描步进20um相比，200um步进能节约近10倍时间，大大提高了检测效率。

图13 干涉测量软件的短相干光程扫描表面定位功能模块

图14为待测平行平板进行表面定位时得到的相干度扫描曲线，由扫描结果可知，前表面和后表面的光程距离为75.14mm，名义折射率为1.45，由此得到的物理厚度为51.82mm，与厂家标称的名义厚度一致。

图14 平板前表面和后表面粗定位过程相干度扫描结果

（3）对前表面进行精确定位，并获取前表面反射面形。

在前表面的相干峰值前后各约1mm范围内进行光程进行扫描，扫描步进设置为20um，对前表面进行准确定位，并获取可见度最高的干涉条纹。图15(a)为对前表面进行精细光程扫描得到的相干包络及采集到的一帧干涉图，图15(b)为由PZT光程调制移相得到前表面反射波前结果。

 

图15 平板前表面相干包络和反射波前结果

（4）对后表面进行精确定位，并获取后表面反射面形。

同上一步，在后表面的相干峰值前后各约1mm范围内进行光程进行扫描，扫描步进设置为20um，对前表面进行准确定位，并获取可见度最高的干涉条纹。图16(a)为对后表面进行精细光程扫描得到的相干包络及采集到的一帧干涉图，图16(b)为由PZT光程调制移相得到后表面反射波前结果。

 

图16 平板后表面相干包络和反射波前结果

（5）获取平行平板的透射波前。

切换激光光源，调节待测平板姿态，将待测平行平板的前表面和后表面的反射光场调出视场外，直至没有串扰条纹，测试平行平板的透射波前。实验中，通过调节TF和RF的角度，可以减弱平板自干涉条纹的串扰。图17(a)为待测平板的透射波前干涉图，图17(b)为其透射波前分布。

 

图17 平板透射波前干涉图和透射波前结果

（6）折射率均匀性计算。

基于上述波面结果，使用PhaseSight软件可实现平行平板均匀性的计算，具体计算步骤如下。图18为软件中折射率均匀性计算功能界面。在计算前，要设置材料的名义折射率和物理厚度，其中，厚度可由光程扫描结果得到。之后，分别载入前表面反射波前数据、后表面反射波前数据、透射波前数据和空腔波前数据，并分别保存，点击计算，即可得到待测平板的折射率均匀性分布。

图18 干涉测量软件的折射率均匀性计算界面

由上述波面、厚度等结果得到的800mm平行平板折射率均匀性分布如图19所示。均匀性计算结果为4.090e-6，与厂家要求基本一致。表明该方法得到的平板反射波前、均匀性等结果为大口径平板的抗振测量提供了新方案。

图19 800mm平板折射率均匀性分布

参考文献

[1] 胡晨辉, 陈磊, 黄晨, 马致遥, 钱月, 张喆, 李若琨, 郑东晖, “抑制移相干涉仪中相干噪声的多模光纤扩展光源研究”, 光学学报 42(19), 1906001(2022).

[2] Zhigang Han, Fangxin Li, Jiale Chen, Jiuduo Rui, Zhixun Wu, Xinyang Zhao, and Rihong Zhu, “All-fiber orthogonal-polarized white-noise-modulated laser for short-coherence dynamic interferometry”, Optics Express 31(9), 14735-14749 (2023).

[3] Xinyu Miao, Jun Ma, Yifan Yu, Jianxin Li, Cong Wei, Rihong Zhu, Lei Chen, Caojin Yuan, Qing Wang, and Donghui Zheng, “Modelling and correction for polarization errors of a 600 mm aperture dynamic Fizeau interferometer”, Optics Express 28(22), 33355-33370 (2020).

[4] Xinyu Miao, Yifan Yu, Aobo Li, Jun Ma, Lei Chen, Jianxin Li, Qing Wang, Cong Wei, Rihong Zhu, and Caojin Yuan, “Optical phase-shifting methods based on low coherence laser for large aperture Fizeau interferometer”, Optics and Lasers in Engineering 140, 106513 (2021).

[5] Fangxin Li, Xinyang Zhao, Zhigang Han, Jiuduo Rui, Zhenying Yang, Liqiang Pan, Ming Liu, and Rihong Zhu, “Coherence sidelobe suppression of laser diode by white-noise-current modulation and external cavity feedback”, Optics Letters 49(15), 4218-4221 (2024).

[6] Mingliang Duan, Yi Zong, Rihong Zhu, and Jianxin Li, “Phase-tilt iteration: Accurate and robust phase extraction from random tilt-shift interferograms”, Optics and Lasers in Engineering 142, 106595(2021).