撰稿 | 吳迪（ WYROWSKI PHOTONICS 公司，工程師）

剪切干涉技術是一種應用于光學精密檢測中的技術，由于其結構簡單穩定，對環境影響不敏感等特點而被越來越廣泛地應用。這種干涉儀的基本原理是：以被檢驗波前自身的、與其被剪開的波前之間在重疊范圍內相干涉，來評價被檢驗波前本身的缺陷。

目前已有的剪切干涉儀器可以根據剪切的方向將它們分為橫向剪切、徑向剪切、旋轉剪切和反轉剪切。或者根據剪切方式區分為平板剪切干涉儀、薩瓦偏光鏡干涉儀、渥拉斯特棱鏡干涉儀和光柵剪切干涉儀。

其中，傳統的基于光柵的剪切干涉儀需要光柵的兩次橫向移動以實現 x 和 y 方向相移，和兩次軸向移動以調整 x 和 y 方向的剪切量。也就是說，為了得到完整的二維剪切信息，這些系統需要四軸的機械控制，這給干涉儀的實際操作和應用都帶來了難度。

為了解決這一問題，近日，來自美國北卡羅來納大學夏洛特分校的團隊設計提出了一種基于幾何相位光柵的剪切全息系統，可以通過僅控制一個機械軸（而不是四個）來實現穩健的可變剪切干涉測量。這一發現對未來的緊湊型干涉儀設計具有重要意義。

該成果以 Variable shearing holography with applications to phase imaging and metrology 為題發表在 Light: Advanced Manufacturing。

基于幾何相位光柵的剪切干涉儀工作原理

偏振光柵，也稱為幾何相位光柵（geometric-phase gratings, 縮寫：GP），是一種基于液晶聚合物的光柵，其衍射角取決于光的偏振和波長。GP 光柵可以分別以正衍射角和負衍射角衍射右旋圓偏光（RHCP）和左旋圓偏光（LHCP），根據光柵公式（名詞解釋>），衍射角直接與波長和光柵周期有關。

如圖1所示，當兩個 GP 光柵連續放置時，空間域中的橫向剪切就實現了。在這種設置中，兩個相同的 GP 光柵沿相同的軸和方向對齊。這樣，第一個 GP 光柵使入射光束偏轉角度 +/- α，第二個 GP 光柵通過將光束衍射到 -/+ α 來補償這種偏轉。調整第一個和第二個 GP 光柵之間的距離可以調整兩個干涉波的剪切量，如圖 2 所示，實現可用于可調剪切干涉測量的獨特屬性。

圖1：線偏振光情況下基于 GP 光柵的剪切干涉測量原理。圖源：Light：Advanced Manufacturing / 圖譯：吳迪

在 x 和 y 方向上同時剪切

如圖 2 所示，將光柵翻轉 90 度使 x 方向轉變為 y 方向，則可以實現沿 y 軸的剪切。采用一系列四個 GP 光柵的干涉儀可以在 x 和 y 方向上同時進行剪切。該系統總共使用 了 4 個光柵：一對光柵用于 x 方向剪切，另一對光柵用于 y 方向剪切。

圖2：球面波在距離 z = 350 mm 的情況下的干涉圖示例，在 x 和 y 方向具有不同的剪切量。圖源：Light: Advanced Manufacturing

固定剪切量旋轉剪切軸

另一種不同的裝置是保持兩個光束之間的固定剪切，即兩個光柵的相對位置不變，通過旋轉剪切軸來調制條紋，如圖 3 所示。這種配置則只需要一對 GP 光柵，所以比圖 2c 的配置更緊湊。

圖3：距離 z = 250 mm 的球面波的干涉圖示例，具有恒定的剪切和不同的光柵旋轉角。圖源：Light：Advanced Manufacturing

并且，由于干涉儀的輸入線偏振光被轉換成了左右圓偏振分量，因此需要使用偏振器使這兩種波發生干涉。也就是說，通過旋轉偏振器，可以得到兩個波的不同的相移，從而創建一系列相移干涉圖，如圖 4 所示。

圖 4：a.一個振幅恒定的球面波在到達線性偏振器之前的強度分布。b. 線性偏振器后的強度，用于偏振器的四個不同角度，以在干涉波之間產生0、π/2、π 和 3π/2 的相移。圖源：Light：Advanced Manufacturing 

作者隨后使用多剪切波前重建技術進一步評估了具有上述兩種配置的干涉儀的性能。

結果表明，具有固定剪切量但可調節旋轉剪切軸的 GP 光柵， 配合像素化偏振相機的配置可以為穩健的測量提供剪切選擇，同時還保持了相移的能力。這相比需要四軸機械控制的傳統剪切干涉儀來說，系統復雜性大大減小，系統結構更為緊湊、穩定，因此基于 GP 光柵的剪切干涉儀的優勢十分明顯。

論文信息

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

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

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