CN1202402C - 宽频白光干涉仪 - Google Patents

Abstract

一种宽频白光干涉仪，包括一平行光源，其特征在于沿光束前进的方向依次还有波带片、针孔光阑、待测物体、探测器和计算机，所述的波带片是一菲涅尔波带片，所述的待测物体的位置满足关系式：z₀(p+f)＝p²，式中：Z₀-待测物体到探测器的距离；p-针孔光阑到探测器的距离；f-菲涅尔波带片的焦距长。本发明宽频白光干涉仪对相干性较差的X射线、中子、原子束以及远紫外波段特别适合，是一种极为值得推广的高性能干涉仪。

Description

宽频白光干涉仪

技术领域：

本发明有关干涉仪，特别涉及一种宽频白光干涉仪。所谓宽频是指从红外、可见、紫外，X射线甚至硬X射线波段，只要改变波带片的结构参数皆适用的白光干涉仪，其原理也适用于电子束、原子束、中子、离子等，凡具有衍射特性的电磁波或物质波皆适用。

背景技术：

光的干涉是指两个光波或多个光波相遇时，由于波的叠加而产生一种稳定的亮暗条纹的现象，并不是任意两光波相遇都能产生干涉，只有两个或多个光波为相干光时，即具有一定的空间和时间相干性的光束，方能观察到这种亮暗条纹。在这种亮暗条纹中，含有位相信息。

干涉仪可分为两种类型，一种工作在长波段，包含近红外、可见或近紫外波段；另一种工作在短波段，包含真空紫外、X射线波段，也适用于电子束、原子束、中子、离子等，凡具有衍射特性的电磁波或物质波皆适用。

1960年激光出现以后，为长波段干涉仪提供一个较为理想的相干光源，干涉技术出现了飞速的发展，并已成功地应用到各个领域，成为精密检测和精密计量(特别是位相或者波面的检测)不可缺少的一种工具，由此而产生了各种各样的干涉技术，并且使一些古老的干涉仪获得了更广泛的应用，比如马赫—陈德尔干涉仪，法布里—帕罗干涉仪，弗佐干涉仪(Fizean)，麦克尔逊干涉仪，瑞利干涉仪(Rayleigh)等等。

这些干涉仪一个共同的缺点是，对光源或光束的时间相干性有一定的要求，并且它们只适合于使用在近红外、可见或近紫外波段，对真空紫外、X射线波段或者远红外都不适合。

近年耒，由于同步辐射源和X射线激光的发展，X射线干涉仪获得了进展Ulrich Bonse与Michael Hart[参见在先技术：U.Bonse and M.Hart，Appl.Phys.Lett.6，155-156(1965)]设计了X射线干涉仪，Atshushi Momose与Tohoru Takeda将其用于相衬成像方面。三个近完美的晶体平行放置，形成一个X射线干涉仪。第一个晶体将经过单色仪之后的X射线光束分束；中间的晶体作用是将两束光合束；第三个晶体则作为分析晶体。物样放置在其中一束光的光路中，位于合束晶体与分析晶体之间，并由此引入相位变化。与参考光干涉，而产生干涉条纹。条纹对于探测光束经过物样之后产生的相移非常敏感。

由于其灵敏度十分高，X射线干涉仪要求具有高度的完美晶体准直度和机械稳定性。在一块单晶上制作成这种干涉仪可以获得极佳的实验效果。但晶体的尺寸有限，也限制了分析物样的大小。

发明内容：

本发明是针对上述在先技术中的缺点，提供一种宽频白光干涉仪，这种干涉仪对光源或光束的时间相干性和机械稳定性要求非常低，并且对所有电磁波或物质波，凡具有衍射特性的波都适合。

本发明的技术解决方案是：

一种宽频白光干涉仪，包括一平行光源，其特征在于沿光束前进的方向依次还有波带片、针孔光阑、待测物体、探测器和计算机，所述的波带片是一菲涅尔波带片，所述的待测物体)的位置满足关系式：

        z₀(p+f)＝p²

式中：Z₀-待测物体到探测器的距离；

       p-针孔光阑到探测器的距离；

       f-菲涅尔波带片的焦距长。

我们设计构思的依据可以阐述如下：

波带板是一种特殊形式的衍射光学元件，可看成一个圆形光栅，其线密度沿径向递增。利用它效率较高的一级衍射，几乎可以对所有波长的辐射成像。最基本的波带板是菲涅尔波带板，它由一系列黑白相间的环带组成。位相波带板是全透明的，但在相邻环带上引入π相移，其理论效率是菲涅尔波带板的4倍。

事实上，菲涅尔波带板的提出距今已由100多年，长时间来它没有得到应有的重视。其原因：1、它的效率太低，入射到环带板上的能量只有1/π²(～10％)，聚集在一级焦点上；2、成像背景太强，或信噪比太低。有1/4的入射光未被衍射，而在像平面上产生一个连续背景；3、具有很强的色散(f∝1/λ)；4、制作工艺上的困难。

早在1888年，瑞利就提出位相波带板的设想。10年以后，Wood又论证了这一波带板的优越性。结果表明，位相波带板的理论效率为40％，是菲涅尔波带板的四倍。1990年，Hisao Fujisaki又提出梯度折射率位相波带板的设想，该波带板同一带上的点到焦点等光程，不同带之间的程差为2mπ，m为整数。似乎我们可以这样认为，与普通透镜类似，该波带板同样适用于费马原理，它的理论效率达100％。即使考虑到吸收，其效率也可达34％，是相同材料制成的位相波带板的1.4倍。

除了成像、会聚光束外，还可利用波带板的强色散获取单色光。一定带宽的光线射入到波带板上，波长不同其焦点位置也不同。将孔径适当的光阑置于波带板的焦平面处，改变光阑在轴上的位置，即可选出所需波长的光线。

根据菲涅尔圆孔衍射理论，如果按式 $r_n=\sqrt{\mathrm{nf\λ}}$ 把圆孔连续地分割成一个个半波带，并把奇数或偶数个半波带遮住，就可在衍射场中获得类似透镜的聚焦现象，按照这一原理制作的波带板可用作透镜对有限大物成像，并遵循以下成像关系。

1/p+1/q＝1/f

p：物距    q：像距：

本发明的宽频白光干涉仪装置如图1所示，从波带片的一级衍射波到干涉图上的光程为：

L₁＝(p²+R²)^(f+p)/p＝(f+p)(1+R²/p²)^

用二项式定理将它展开可写成：

L₁≈(f+p)(1+R²/2p²-R⁴/8p⁴)              (1)

＝f+p+(f+p)R²/2p²-(f+p)R⁴/8p⁴

从波带片经方孔衍射到达干涉图上的光程为：

$L_2=f+(p-z_0)+{(z^2+R^2)}^{1/2}\≈f+p+R^2/2z_0-R^4/8z_0^3---\left(2\right)$

那么，L₁和L₂之间的光程差是：

$\mathrm{\ΔL}=|L_1-L_2|=|(f+p)R^2/2p^2-(f+p)R^4/8p^4-R^2/2z_0+R^4/8z_0^3|$

$\≈\left|\right[z_0(p+f)-p^2]R^2/2z_0{p}^2-[(p+f)/p^4-z_0^{-3}]R^4/8|---\left(3\right)$

如果方程(3)满足下列关系：

z₀(p+f)＝p²                              (4)

那么光程差将是

$\mathrm{\ΔL}=\left|\right[z_0^{-3}-(p+f)/p^4]R^4/8|---\left(5\right)$

$=|p^2-z_0^2|R^4/8z_0^3{p}^2$

假定干涉场中待分辨的物元半径为r，则最大干涉面的半径为：

R＝0.61z₀λ/r                            (6)

将(6)式代入(5)式得：

$\mathrm{\ΔL}=(p^2-z_0^2){(0.61z_0\mathrm{\λ}/r)}^4/8z^3{p}^2$

$=z_0(p^2-z_0^2){(0.61\mathrm{\λ}/r)}^4/8p^2---\left(7\right)$

而波带片的半径r_z和它的焦斑半径r_f满足如下关系：

r_z＝0.61fλ/r_f                   (8)

而物元半径r和焦斑半径r_f满足如下关系：

r＝(z₀/p)r_f

因此：

r_z＝0.61λz₀/rp                  (9)

以上结果代入实际中去，如果上述干涉仪应用在X射线波段：假定λ＝3.3nm，物元半径r＝60nm，f＝1.25mm，z₀＝4mm，可求得：p＝5mm，r_z＝33.55μm，而程差ΔL＝0.23nm，而程差如此之小，完全可以忽略不计。

以上我们证明了本发明宽频白光干涉仪是一个等光程或者说是一个准等光程干涉仪装置。

本发明的宽频白光干涉仪装置如图1所示，它是由六部分组成：光源1，波带片2，针孔光阑3，待测物体4，探测器5和计算机6。

所说的光源1是一台同步辐射源，辐射波长经单色器选择为3.3nm，所说的波带片2是一个半径为34μm，焦距长为1.25mm的菲涅尔波带片。

所说的针孔光阑3是一个直径为30μm的光阑。

所说的待测物体4是一个生物样品，它放置的位置非常重要，必须满足方程z₀(p+f)＝p²的要求。

所说的探测器5是一个CCD器件。

所说的计算机6，它能将CCD测得的干涉图形显示出来。

当X射线1通过波带片2以后，产生衍射，只有一级衍射波w_f和部分零级波w_z才能通过针孔光阑3，透过针孔光阑3的零级波用来照射待测样品4，被待测样品衍射以后，再和一级衍射波w_f在探测器5上相遇并产生干涉，这个干涉图形上含有待测样品4的位相信息。

本发明的宽频白光干涉仪，与在先技术相比，它对光源的时间相干性要求非常低，是一种准等光程干涉仪，所容许的光程差达原子尺度，凡具有衍射特性电磁波或物质波都能采用这种干涉仪。

附图说明：

图1为本发明宽频白光干涉仪结构示意图。

具体实施方式

现在以软X射线光源作为例子，来阐述它的具体实施方式。如图1所示，本发明用软X射线光源的宽频白光干涉仪。它由六部分组成：软X射线同步辐射源1，波带片2，针孔光阑3，待测样品4，探测器5和计算机6。

所说的光源1是一台同步辐射源，辐射波长经单色器选择为3.3nm，所说的波带片2是一个半径为34μm，焦距长为1.25mm的菲涅尔波带片。

所说的针孔光阑3是一个孔径为30μm的光阑。

所说的待测物体4是一个生物样品，它放置的位置非常重要，必须满足方程4的要求。

所说的探测器5是一个CCD器件。

所说的计算机6，它能将CCD测得的干涉图形显示出来。

来自于同步辐射源的软X射线1，入射到半径为34μm，焦距长为1.25mm的波带片2，产生色散，只有波长为3.3nm的一级衍射w_f和部分零级w_zX射线能通过针孔光阑3，并照射待测样品4，待测样品4距光阑尺寸为(p-z₀)，零级波w_z照射待测样品4并产生衍射和一级衍射波w_f，在探测器CCD5上相遇，并产生含有待测样品4位相信息的干涉图形，这个干涉图形在计算机6上显示出来。

这种宽频白光干涉仪对相干性较差的X射线、中子、原子束以及远紫外波段特别适合，是一种极为值得推广的高性能干涉仪。

Claims (2)

1、一种宽频白光干涉仪，包括一平行光源(1)，其特征在于沿光束前进的方向依次还有波带片(2)、针孔光阑(3)、待测物体(4)、探测器(5)和计算机(6)，所述的波带片(2)是一菲涅尔波带片，所述的待测物体(4)的位置满足关系式：

        z₀(p+f)＝p²

式中：Z₀-待测物体(4)到探测器(5)的距离；

      p-针孔光阑(3)到探测器(5)的距离；

      f-菲涅尔波带片的焦距长。

2、根据权利要求1所述的宽频白光干涉仪，其特征在于所说的光源(1)是一台同步辐射源，辐射波长经单色器选择为3.3nm，所说的波带片(2)是一个半径为34μm，焦距长为1.25mm的菲涅尔波带片；所说的针孔光阑(3)是一个孔径为30μm的光阑，所说的探测器(5)是一个CCD器件，所说的计算机(6)，用于将CCD测得的干涉图形显示出来。

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