LAM | 几何相位光栅与可变剪切全息技术

撰稿 | 吴迪（ WYROWSKI PHOTONICS 公司，工程师）

剪切干涉技术是一种应用于光学精密检测中的技术，由于其结构简单稳定，对环境影响不敏感等特点而被越来越广泛地应用。这种干涉仪的基本原理是：以被检验波前自身的、与其被剪开的波前之间在重叠范围内相干涉，来评价被检验波前本身的缺陷。

目前已有的剪切干涉仪器可以根据剪切的方向将它们分为横向剪切、径向剪切、旋转剪切和反转剪切。或者根据剪切方式区分为平板剪切干涉仪、萨瓦偏光镜干涉仪、渥拉斯特棱镜干涉仪和光栅剪切干涉仪。

其中，传统的基于光栅的剪切干涉仪需要光栅的两次横向移动以实现 x 和 y 方向相移，和两次轴向移动以调整 x 和 y 方向的剪切量。也就是说，为了得到完整的二维剪切信息，这些系统需要四轴的机械控制，这给干涉仪的实际操作和应用都带来了难度。

为了解决这一问题，近日，来自美国北卡罗来纳大学夏洛特分校的团队设计提出了一种基于几何相位光栅的剪切全息系统，可以通过仅控制一个机械轴（而不是四个）来实现稳健的可变剪切干涉测量。这一发现对未来的紧凑型干涉仪设计具有重要意义。

该成果以 Variable shearing holography with applications to phase imaging and metrology 为题发表在 Light: Advanced Manufacturing。

基于几何相位光栅的剪切干涉仪工作原理

偏振光栅，也称为几何相位光栅（geometric-phase gratings, 缩写：GP），是一种基于液晶聚合物的光栅，其衍射角取决于光的偏振和波长。GP 光栅可以分别以正衍射角和负衍射角衍射右旋圆偏光（RHCP）和左旋圆偏光（LHCP），根据光栅公式（名词解释>），衍射角直接与波长和光栅周期有关。

如图1所示，当两个 GP 光栅连续放置时，空间域中的横向剪切就实现了。在这种设置中，两个相同的 GP 光栅沿相同的轴和方向对齐。这样，第一个 GP 光栅使入射光束偏转角度 +/- α，第二个 GP 光栅通过将光束衍射到 -/+ α 来补偿这种偏转。调整第一个和第二个 GP 光栅之间的距离可以调整两个干涉波的剪切量，如图 2 所示，实现可用于可调剪切干涉测量的独特属性。

图1：线偏振光情况下基于 GP 光栅的剪切干涉测量原理。图源：Light：Advanced Manufacturing / 图译：吴迪

在 x 和 y 方向上同时剪切

如图 2 所示，将光栅翻转 90 度使 x 方向转变为 y 方向，则可以实现沿 y 轴的剪切。采用一系列四个 GP 光栅的干涉仪可以在 x 和 y 方向上同时进行剪切。该系统总共使用 了 4 个光栅：一对光栅用于 x 方向剪切，另一对光栅用于 y 方向剪切。

图2：球面波在距离 z = 350 mm 的情况下的干涉图示例，在 x 和 y 方向具有不同的剪切量。图源：Light: Advanced Manufacturing

固定剪切量旋转剪切轴

另一种不同的装置是保持两个光束之间的固定剪切，即两个光栅的相对位置不变，通过旋转剪切轴来调制条纹，如图 3 所示。这种配置则只需要一对 GP 光栅，所以比图 2c 的配置更紧凑。

图3：距离 z = 250 mm 的球面波的干涉图示例，具有恒定的剪切和不同的光栅旋转角。图源：Light：Advanced Manufacturing

并且，由于干涉仪的输入线偏振光被转换成了左右圆偏振分量，因此需要使用偏振器使这两种波发生干涉。也就是说，通过旋转偏振器，可以得到两个波的不同的相移，从而创建一系列相移干涉图，如图 4 所示。

图 4：a.一个振幅恒定的球面波在到达线性偏振器之前的强度分布。b. 线性偏振器后的强度，用于偏振器的四个不同角度，以在干涉波之间产生0、π/2、π 和 3π/2 的相移。图源：Light：Advanced Manufacturing 

作者随后使用多剪切波前重建技术进一步评估了具有上述两种配置的干涉仪的性能。

结果表明，具有固定剪切量但可调节旋转剪切轴的 GP 光栅， 配合像素化偏振相机的配置可以为稳健的测量提供剪切选择，同时还保持了相移的能力。这相比需要四轴机械控制的传统剪切干涉仪来说，系统复杂性大大减小，系统结构更为紧凑、稳定，因此基于 GP 光栅的剪切干涉仪的优势十分明显。

论文信息

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

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

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