Modélisation d'un Interféromètre à Décalage de Phase
Qu'est-ce qu'un interféromètre à décalage de phase?
Si vous avez un système optique qui nécessite que certaines surfaces aient une forme spécifique (qu'elles soient plates, sphériques, etc.), comment testeriez-vous cela? Nous pouvons utiliser l'interférométrie à déphasage pour mesurer l'écart par rapport à la forme souhaitée, ce qui est crucial pour une fabrication de haute précision. Cela se fait en générant plusieurs motifs d'interférence, appelés interférogrammes, contre une surface de référence pour une série de différentes longueurs de chemin optique. À partir de cet ensemble d'interférogrammes, nous pouvons générer l'affaissement de la surface, ou profil, de la surface d'essai.
Figure 1. L'exemple d'interféromètre dans FRED avec uniquement l'optique et le tracé de rayon rendu affiché.
Interféromètre Mécanique
L'interféromètre à décalage de phase est construit à l'aide de composants commerciaux (COTS) d'OptoSigma. La cage optique présente certains avantages par rapport aux poteaux de montage et aux rails optiques à queue d'aronde : il est facile à mettre en place, ce qui lui permet de se brancher directement sur le banc optique. Il est plus facile à transporter car le système complet est expédié en une seule unité et il peut être importé en tant que fichier CAO unique dans FRED. La platine motorisée de précision est utilisée pour déplacer le miroir de référence de λ/8 (~80 nm) et la platine motorisée FS-1020UPX d'OptoSigma répond à cette exigence avec une résolution minimale de 1 nm et une répétabilité de position de ±2 nm.
Figure 2. Cage optique d'OptoSigma (image link)
Figure 3. Platine motorisée de précision d'OptoSigma(image link)
Figure 4. Exemple d'interféromètre dans FRED avec mécanique OptoSigma incluse (structures CAO grises), optique (transparente) et avec un tracé de rayon rendu (en rouge).
Modélisation de l'interféromètre à décalage de phase
TPour bien modéliser l'analyse décrite ci-dessus, nous devons répondre à deux exigences : (i) une simulation précise de la propagation d'un faisceau cohérent et (ii) notre logiciel doit gérer un grand système optique dans une interface de type CAO.
L'une des capacités les plus puissantes de FRED est son algorithme de lancer de rayons cohérent. La méthode utilisée est appelée « Complex Raytracing ». Il propage de minuscules faisceaux gaussiens, qui peuvent être utilisés pour simuler la propagation de faisceau(x) cohérent(s) de manière non séquentielle. Si les faisceaux se séparent ou heurtent une ouverture d'une optique, cela est géré de manière inhérente. Les effets d'interférence et de diffraction sont également tous intégrés à l'algorithme.
Certains logiciels d'optique listeraient toutes les surfaces du modèle (optiques et mécaniques) dans une longue liste linéaire, ce qui serait pénible à gérer. FRED utilise un « arbre » de type CAO pour gérer à la fois les parties mécaniques et optiques du modèle. Ceci est absolument essentiel lorsqu'il s'agit de milliers de composants et de surfaces. FRED dispose d'une bibliothèque intégrée de pièces optiques OptoSigma, mais les pièces mécaniques peuvent également être importées à partir de fichiers CAO (STEP, IGES, OBJ).
Figure 5. Un des quatre interférogrammes générés dans l'exemple FRED.
Figure 6. Schéma de l'installation illustrée aux Figures 1 et 2. Le miroir d'échantillon est également appelé surface d'essai.
Modification des propriétés de surface de la surface d'essai
Dans l'arbre des objets, toute la mécanique et l'optique sont organisées en leurs propres sous-ensembles. Il existe un autre sous-ensemble que nous avons ajouté à notre exemple FRED nommé « Sag Surface », qui contient plusieurs profils de surface différents. Nous commençons avec une surface de test plate lorsque le miroir de test est initialement ajouté à notre système, mais nous pouvons ensuite ajouter une surface « modificateur ». Les surfaces affichées sous « Sag Surface » peuvent être rapidement ajoutées à la surface du miroir de test pour la muter. Pour cet exemple, nous avons utilisé le type de surface « Freeform ». Il s'agit d'un maillage bicubique où une série de points de perturbation aléatoires sont générés aléatoirement et ajoutés à la surface.
Figure 7. La branche arborescente dans FRED qui contient toutes les surfaces que nous voulons tester et la boîte de dialogue utilisée pour modifier les propriétés de surface de notre surface de test. En un seul clic, nous pouvons changer notre surface « Freeform » en une autre surface que nous avons prédéfinie.
Der Grundgedanke dabei ist, dass wir viele verschiedene Oberflächentypen definieren und diese schnell und einfach zu unserer Testoberfläche hinzufügen können, um sie zu analysieren. Es ist eine einzelne Einstellung, die wir auf der Testoberfläche ändern (siehe Abbildung 7), die auf die zu verwendende Modifikatoroberfläche hinweist.
Calcul d'interférométrie
Le but d'un interféromètre à déphasage est d'analyser le profil de surface du miroir échantillon, également appelé surface d'essai (voir Figure 6). Le miroir de référence plat est déplacé quatre fois par un système à nano-étages, par pas de /8 (changement de longueur de trajet total de /4). Ensuite, nous recombinons les faisceaux et calculons l'éclairement énergétique pour chaque position de miroir sur un capteur d'image (ou une surface d'analyse dans FRED). Nous pouvons utiliser les quatre interférogrammes générés pour créer ce qu'on appelle la phase enveloppée de la surface de test avec la formule suivante:
où Θ(x,y) est la phase enveloppée de la surface d'essai et In(x,y) sont chacun des interférogrammes avec n indiquant les changements de la longueur du trajet par pas de λ/8 (total changement de /4). À partir de ces informations, nous pouvons calculer l'affaissement du profil de surface inconnu.
Figure 8. Les quatre interférogrammes créés à chaque pas de λ/8 par le miroir de référence à partir de cet exemple d'interféromètre à déphasage FRED. La surface vue ici est de type « Freeform ».
Pour faire l'interférométrie dans un logiciel, il y a deux étapes principales que nous automatisons pour une facilité d'utilisation. FRED utilise le langage de script Visual Basic, qui est facile à prendre en main et puissant.
Calcul de la phase enveloppée
Après avoir exécuté notre script, il génère les quatre interférogrammes, ainsi que la phase enveloppée. Il stocke ces résultats sous forme de nœuds de résultats d'analyse (ARN) dans FRED. Si nous double-cliquons sur l'un d'eux sous la branche Analysis Results de l'arbre d'objets, cela ouvrira les interférogrammes de la surface perturbée par rapport à la distance parcourue, comme le montre la figure 8. La phase enveloppée, vue sur la figure 9, a une ouverture circulaire qui est l'empreinte du faisceau laser qui atteint la surface d'essai. En regardant la taille de l'ouverture, nous pouvons voir que le faisceau laser atteint environ ± 3 mm.
Figure 9. La phase enveloppée de notre surface d'essai. Les profils de surface sur le côté droit de la figure montrent des discontinuités qui existent dans la phase enroulée (-π à π).
Calcul de l'affaissement de la surface
Nous exécutons un deuxième script pour dérouler la phase et la convertir en valeurs d'affaissement en microns. Un double-clic sur l'ARN d'affaissement de surface nous donne le résultat principal de cette démonstration (Figure 10). Tout l'intérêt de cet interféromètre est de fournir ce résultat. Il s'agit de l'affaissement de la surface, ou de l'écart par rapport à une surface plane, basé sur cette perturbation que nous avons utilisée (Freeform), en unités de microns. Nous pouvons voir dans notre résultat que nous allons de 0 à un demi-micron (ou 500nm).
Figure 10. L'affaissement de la surface de notre surface d'essai à l'aide de l'affectation de surface « Freeform ». Les écarts par rapport au plat sont donnés en microns et ils vont de près de 0 à près d'un demi-micron (soit environ 500 nm).
Summary
Le prototypage virtuel comme celui-ci est incroyablement utile. Dans FRED, vous pouvez vérifier si le système que vous souhaitez concevoir a été correctement configuré ; si vous avez une empreinte laser suffisamment grande sur la surface de test ; et s'il y a des problèmes de désalignement ou de rotation mineure dans les étapes.
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Axel Haunholter a.haunholter@optosigma-europe.com