專利名稱：寬頻白光干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)干涉儀，特別涉及一種寬頻白光干涉儀。所謂寬頻是指從紅外、可見、紫外，X射線甚至硬X射線波段，只要改變波帶片的結(jié)構(gòu)參數(shù)皆適用的白光干涉儀，其原理也適用于電子束、原子束、中子、離子等，凡具有衍射特性的電磁波或物質(zhì)波皆適用。
背景技術(shù)：
光的干涉是指兩個(gè)光波或多個(gè)光波相遇時(shí)，由于波的疊加而產(chǎn)生一種穩(wěn)定的亮暗條紋的現(xiàn)象，并不是任意兩光波相遇都能產(chǎn)生干涉，只有兩個(gè)或多個(gè)光波為相干光時(shí)，即具有一定的空間和時(shí)間相干性的光束，方能觀察到這種亮暗條紋。在這種亮暗條紋中，含有位相信息。
干涉儀可分為兩種類型，一種工作在長波段，包含近紅外、可見或近紫外波段；另一種工作在短波段，包含真空紫外、X射線波段，也適用于電子束、原子束、中子、離子等，凡具有衍射特性的電磁波或物質(zhì)波皆適用。
1960年激光出現(xiàn)以后，為長波段干涉儀提供一個(gè)較為理想的相干光源，干涉技術(shù)出現(xiàn)了飛速的發(fā)展，并已成功地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，成為精密檢測(cè)和精密計(jì)量(特別是位相或者波面的檢測(cè))不可缺少的一種工具，由此而產(chǎn)生了各種各樣的干涉技術(shù)，并且使一些古老的干涉儀獲得了更廣泛的應(yīng)用，比如馬赫—陳德爾干涉儀，法布里—帕羅干涉儀，弗佐干涉儀(Fizean)，麥克爾遜干涉儀，瑞利干涉儀(Rayleigh)等等。
這些干涉儀一個(gè)共同的缺點(diǎn)是，對(duì)光源或光束的時(shí)間相干性有一定的要求，并且它們只適合于使用在近紅外、可見或近紫外波段，對(duì)真空紫外、X射線波段或者遠(yuǎn)紅外都不適合。
近年耒，由于同步輻射源和X射線激光的發(fā)展，X射線干涉儀獲得了進(jìn)展Ulrich Bonse與Michael Hart[參見在先技術(shù)U.Bonse and M.Hart，Appl.Phys.Lett.6，155-156(1965)]設(shè)計(jì)了X射線干涉儀，Atshushi Momose與Tohoru Takeda將其用于相襯成像方面。三個(gè)近完美的晶體平行放置，形成一個(gè)X射線干涉儀。第一個(gè)晶體將經(jīng)過單色儀之后的X射線光束分束；中間的晶體作用是將兩束光合束；第三個(gè)晶體則作為分析晶體。物樣放置在其中一束光的光路中，位于合束晶體與分析晶體之間，并由此引入相位變化。與參考光干涉，而產(chǎn)生干涉條紋。條紋對(duì)于探測(cè)光束經(jīng)過物樣之后產(chǎn)生的相移非常敏感。
由于其靈敏度十分高，X射線干涉儀要求具有高度的完美晶體準(zhǔn)直度和機(jī)械穩(wěn)定性。在一塊單晶上制作成這種干涉儀可以獲得極佳的實(shí)驗(yàn)效果。但晶體的尺寸有限，也限制了分析物樣的大小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)上述在先技術(shù)中的缺點(diǎn)，提供一種寬頻白光干涉儀，這種干涉儀對(duì)光源或光束的時(shí)間相干性和機(jī)械穩(wěn)定性要求非常低，并且對(duì)所有電磁波或物質(zhì)波，凡具有衍射特性的波都適合。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種寬頻白光干涉儀，包括一平行光源，其特征在于沿光束前進(jìn)的方向依次還有波帶片、針孔光闌、待測(cè)物體、探測(cè)器和計(jì)算機(jī)，所述的波帶片是一菲涅爾波帶片，所述的待測(cè)物體)的位置滿足關(guān)系式z0(p+f)＝p2式中Z0-待測(cè)物體到探測(cè)器的距離；p-針孔光闌到探測(cè)器的距離；f-菲涅爾波帶片的焦距長。
我們?cè)O(shè)計(jì)構(gòu)思的依據(jù)可以闡述如下波帶板是一種特殊形式的衍射光學(xué)元件，可看成一個(gè)圓形光柵，其線密度沿徑向遞增。利用它效率較高的一級(jí)衍射，幾乎可以對(duì)所有波長的輻射成像。最基本的波帶板是菲涅爾波帶板，它由一系列黑白相間的環(huán)帶組成。位相波帶板是全透明的，但在相鄰環(huán)帶上引入π相移，其理論效率是菲涅爾波帶板的4倍。
事實(shí)上，菲涅爾波帶板的提出距今已由100多年，長時(shí)間來它沒有得到應(yīng)有的重視。其原因1、它的效率太低，入射到環(huán)帶板上的能量只有1/π2(～10％)，聚集在一級(jí)焦點(diǎn)上；2、成像背景太強(qiáng)，或信噪比太低。有1/4的入射光未被衍射，而在像平面上產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)背景；3、具有很強(qiáng)的色散(f∝1/λ)；4、制作工藝上的困難。
早在1888年，瑞利就提出位相波帶板的設(shè)想。10年以后，Wood又論證了這一波帶板的優(yōu)越性。結(jié)果表明，位相波帶板的理論效率為40％，是菲涅爾波帶板的四倍。1990年，Hisao Fujisaki又提出梯度折射率位相波帶板的設(shè)想，該波帶板同一帶上的點(diǎn)到焦點(diǎn)等光程，不同帶之間的程差為2mπ，m為整數(shù)。似乎我們可以這樣認(rèn)為，與普通透鏡類似，該波帶板同樣適用于費(fèi)馬原理，它的理論效率達(dá)100％。即使考慮到吸收，其效率也可達(dá)34％，是相同材料制成的位相波帶板的1.4倍。
除了成像、會(huì)聚光束外，還可利用波帶板的強(qiáng)色散獲取單色光。一定帶寬的光線射入到波帶板上，波長不同其焦點(diǎn)位置也不同。將孔徑適當(dāng)?shù)墓怅@置于波帶板的焦平面處，改變光闌在軸上的位置，即可選出所需波長的光線。根據(jù)菲涅爾圓孔衍射理論，如果按式rn=nfλ]]>把圓孔連續(xù)地分割成一個(gè)個(gè)半波帶，并把奇數(shù)或偶數(shù)個(gè)半波帶遮住，就可在衍射場(chǎng)中獲得類似透鏡的聚焦現(xiàn)象，按照這一原理制作的波帶板可用作透鏡對(duì)有限大物成像，并遵循以下成像關(guān)系。
1/p+1/q＝1/fp物距q像距本發(fā)明的寬頻白光干涉儀裝置如圖1所示，從波帶片的一級(jí)衍射波到干涉圖上的光程為L1＝(p2+R2)(f+p)/p＝(f+p)(1+R2/p2)用二項(xiàng)式定理將它展開可寫成L1≈(f+p)(1+R2/2p2-R4/8p4)---(1)]]>=f+p+(f+p)R2/2p2-(f+p)R4/8p4]]>從波帶片經(jīng)方孔衍射到達(dá)干涉圖上的光程為L2=f+(p-z0)+(z2+R2)1/2≈f+p+R2/2z0-R4/8z03---(2)]]>那么，L1和L2之間的光程差是ΔL=|L1-L2|=|(f+p)R2/2p2-(f+p)R4/8p4-R2/2z0+R4/8z03---(3)]]>≈|[z0(p+f)-p2]R2/2z0p2-[(p+f)/p4-z0-3]R4/8|]]>如果方程(3)滿足下列關(guān)系z(mì)0(p+f)＝p2(4)那么光程差將是ΔL=|[z0-3-(p+f)/p4]R4/8|---(5)]]>=|p2-z02|R4/8z03p2]]>假定干涉場(chǎng)中待分辨的物元半徑為r，則最大干涉面的半徑為R＝0.61z0λ/r(6)將(6)式代入(5)式得
ΔL=(p2-z02)(0.61z0λ/r)4/8z3p2---(7)]]>=z0(p2-z02)(0.61λ/r)4/8p2]]>而波帶片的半徑rz和它的焦斑半徑rf滿足如下關(guān)系rz＝0.61fλ/rf(8)而物元半徑r和焦斑半徑rf滿足如下關(guān)系r＝(z0/p)rf因此rz＝0.61λz0/rp(9)以上結(jié)果代入實(shí)際中去，如果上述干涉儀應(yīng)用在X射線波段假定λ＝3.3nm，物元半徑r＝60nm，f＝1.25mm，z0＝4mm，可求得p＝5mm，rz＝33.55μm，而程差Δ L＝0.23nm，而程差如此之小，完全可以忽略不計(jì)。
以上我們證明了本發(fā)明寬頻白光干涉儀是一個(gè)等光程或者說是一個(gè)準(zhǔn)等光程干涉儀裝置。
本發(fā)明的寬頻白光干涉儀裝置如圖1所示，它是由六部分組成光源1，波帶片2，針孔光闌3，待測(cè)物體4，探測(cè)器5和計(jì)算機(jī)6。
所說的光源1是一臺(tái)同步輻射源，輻射波長經(jīng)單色器選擇為3.3nm，所說的波帶片2是一個(gè)半徑為34μm，焦距長為1.25mm的菲涅爾波帶片。
所說的針孔光闌3是一個(gè)直徑為30μm的光闌。
所說的待測(cè)物體4是一個(gè)生物樣品，它放置的位置非常重要，必須滿足方程z0(p+f)＝p2的要求。
所說的探測(cè)器5是一個(gè)CCD器件。
所說的計(jì)算機(jī)6，它能將CCD測(cè)得的干涉圖形顯示出來。
當(dāng)X射線1通過波帶片2以后，產(chǎn)生衍射，只有一級(jí)衍射波wf和部分零級(jí)波wz才能通過針孔光闌3，透過針孔光闌3的零級(jí)波用來照射待測(cè)樣品4，被待測(cè)樣品衍射以后，再和一級(jí)衍射波wf在探測(cè)器5上相遇并產(chǎn)生干涉，這個(gè)干涉圖形上含有待測(cè)樣品4的位相信息。
本發(fā)明的寬頻白光干涉儀，與在先技術(shù)相比，它對(duì)光源的時(shí)間相干性要求非常低，是一種準(zhǔn)等光程干涉儀，所容許的光程差達(dá)原子尺度，凡具有衍射特性電磁波或物質(zhì)波都能采用這種干涉儀。


圖1為本發(fā)明寬頻白光干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在以軟X射線光源作為例子，來闡述它的具體實(shí)施方式
。如圖1所示，本發(fā)明用軟X射線光源的寬頻白光干涉儀。它由六部分組成軟X射線同步輻射源1，波帶片2，針孔光闌3，待測(cè)樣品4，探測(cè)器5和計(jì)算機(jī)6。
所說的光源1是一臺(tái)同步輻射源，輻射波長經(jīng)單色器選擇為3.3nm，所說的波帶片2是一個(gè)半徑為34μm，焦距長為1.25mm的菲涅爾波帶片。
所說的針孔光闌3是一個(gè)孔徑為30μm的光闌。
所說的待測(cè)物體4是一個(gè)生物樣品，它放置的位置非常重要，必須滿足方程4的要求。
所說的探測(cè)器5是一個(gè)CCD器件。
所說的計(jì)算機(jī)6，它能將CCD測(cè)得的干涉圖形顯示出來。
來自于同步輻射源的軟X射線1，入射到半徑為34μm，焦距長為1.25mm的波帶片2，產(chǎn)生色散，只有波長為3.3nm的一級(jí)衍射wf和部分零級(jí)wzX射線能通過針孔光闌3，并照射待測(cè)樣品4，待測(cè)樣品4距光闌尺寸為(p-z0)，零級(jí)波wz照射待測(cè)樣品4并產(chǎn)生衍射和一級(jí)衍射波wf，在探測(cè)器CCD5上相遇，并產(chǎn)生含有待測(cè)樣品4位相信息的干涉圖形，這個(gè)干涉圖形在計(jì)算機(jī)6上顯示出來。
這種寬頻白光干涉儀對(duì)相干性較差的X射線、中子、原子束以及遠(yuǎn)紫外波段特別適合，是一種極為值得推廣的高性能干涉儀。
權(quán)利要求
1.一種寬頻白光干涉儀，包括一平行光源(1)，其特征在于沿光束前進(jìn)的方向依次還有波帶片(2)、針孔光闌(3)、待測(cè)物體(4)、探測(cè)器(5)和計(jì)算機(jī)(6)，所述的波帶片(2)是一菲涅爾波帶片，所述的待測(cè)物體(4)的位置滿足關(guān)系式z0(p+f)＝p2式中Z0-待測(cè)物體(4)到探測(cè)器(5)的距離；p-針孔光闌(3)到探測(cè)器(5)的距離；f-菲涅爾波帶片的焦距長。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬頻白光干涉儀，其特征在于所說的光源(1)是一臺(tái)同步輻射源，輻射波長經(jīng)單色器選擇為3.3nm，所說的波帶片(2)是一個(gè)半徑為34μm，焦距長為1.25mm的菲涅爾波帶片；所說的針孔光闌(3)是一個(gè)孔徑為30μm的光闌，所說的探測(cè)器(5)是一個(gè)CCD器件，所說的計(jì)算機(jī)(6)，用于將CCD測(cè)得的干涉圖形顯示出來。
全文摘要
一種寬頻白光干涉儀，包括一平行光源，其特征在于沿光束前進(jìn)的方向依次還有波帶片、針孔光闌、待測(cè)物體、探測(cè)器和計(jì)算機(jī)，所述的波帶片是一菲涅爾波帶片，所述的待測(cè)物體的位置滿足關(guān)系式z
文檔編號(hào)G01B9/02GK1527023SQ03151088
公開日2004年9月8日 申請(qǐng)日期2003年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月19日
發(fā)明者陳建文, 高鴻奕, 朱化鳳, 謝紅蘭, 李儒新, 徐至展 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所