本发明属于光束波前检测领域，特别涉及一种基于纳米线波导的点衍射光源用于衍射参考干涉仪。
背景技术：
：衍射参考干涉仪，利用衍射产生的近理想球面波前作为参考波前，不受参考标准元件精度的限制，成为高精度光学检测技术中的翘楚。其关键在于近理想的球面波前的产生，是通过极小截面的光场衍射形成，其尺寸与波长相当。对于可见光波段的衍射参考干涉仪，衍射参考波前的产生主要有两种方式，其一是通过金属膜层上刻蚀的针孔，另一是通过光纤中的光场在端面的衍射。这两者均存在一定的问题，通过金属膜层上的针孔产生的衍射波前其能量较弱，调整困难，而且由于金属膜层的厚度有限，衍射光会残留部分之前的光学元件引入的误差，影响衍射波前的质量，而光纤由于其线芯直径较大，导致衍射波前的数值孔径较小，极大地限制了干涉仪的测量范围。本发明提出了基于纳米线波导的点衍射光源，可以将光场限制在波长甚至亚波长量级中，这样可以获得一个小的光场截面，而且可以选择足够小的尺寸和合适的激励条件，抑制高阶模的产生，截止高阶模的传输，使其中的光场稳定的单模传输，这样的光场衍射产生的参考波前是稳定且高质量的，不受光学元件品质的影响，可以提高干涉仪的测量精度。而且通过选用合适的结构和耦合方式，能够获得较高的光能利用率。本发明将传统的干涉检测技术与新型的微纳光波导相结合，对于衍射参考干涉仪的高精度波前检测注入了新的活力，具有重要工程化意义。技术实现要素：本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于纳米线波导的点衍射光源。本发明包括光纤耦合器，单模光纤，纳米线波导；采用光纤耦合器将光波长为532nm的空间光耦合入单模光纤中，进而传输到纳米线波导中，在波导出射端面处衍射产生近理想球面波。所述的纳米线波导主要是由二氧化硅包层s3a、硅基底s3b、氮化硅芯层s3c三部分构成的矩形纳米线波导结构。其中，纳米线波导的氮化硅芯层片上结构，主要包括氮化硅芯层尺寸、弯曲波导部分以及光耦合入波导的耦合器三部分的设计。氮化硅芯层材料的折射率为2，而包层二氧化硅材料的折射率为1.46。为了满足波导内单模稳定传输条件及产生大数值孔径的衍射波前，氮化硅芯层尺寸设计为250nm。氮化硅纳米线波导弯曲部分的曲率半径由波导弯曲损耗和模斑光场分布变形量共同决定，则在可忽略的损耗和较小变形量时，波导弯曲部分的曲率半径设计为5μm。光纤与纳米线波导的耦合器设计采用y型耦合器，可达到较高的耦合效率，并且易于加工。所述的氮化硅芯层截面很小，满足单模传输的特性，且基模的传输损耗较小；其模斑形状十分接近于圆形，衍射场的分布也是均匀的圆形衍射斑，可以作为一个高质量的衍射球面波来作为干涉检测的参考波前。所述的纳米线波导是通过薄膜沉积，掺杂原子置换，外延生长，氧化等方法在基底上形成二氧化硅衬底和氮化硅芯层的矩形纳米线波导结构。通过旋涂电子胶、曝光、显影、电子束刻蚀以及清洗、去胶等刻蚀后处理得到矩形纳米线波导结构；最后还需对端面进行解理和抛光。本发明的有益效果如下：本发明所提供的的基于纳米线波导的点衍射光源，采用单模光纤作为纳米线波导和空间光之间的纽带，在获得较强光能量的同时，光纤的单模传输性质使衍射波前形状稳定，不会因为入射波前像差而影响衍射波前的质量，具有更好的可重复性。其中氮化硅纳米线波导将光场限制在波长甚至亚波长量级中，可以获得一个小的光场截面，同时可以选择足够小的尺寸和合适的激励条件，抑制高阶模的产生，截止高阶模的传输，从而在波导出射端衍射形成超高精度的大数值孔径的参考球面波。且设计y型耦合器，可以达到很高的耦合效率，大大加强了衍射波前的光强。附图说明图1是基于纳米线波导的点衍射光源结构示意图；图2是纳米线波导结构示意图；图3是氮化硅芯层结构示意图；图4a所示分别为截面边长为250nm的氮化硅纳米线波导在波长532nm下的模场分布；图4b所示分别为截面边长为250nm的氮化硅纳米线波导在波长532nm下的远场衍射波前分布；图5是加工的弯曲纳米线波导扫描电镜观察图；图6是加工的y型耦合器扫描电镜观察图；图7是基于纳米线波导的点衍射光源用于衍射参考干涉仪检测大数值孔径球面镜面形的系统结构图。具体实施方式如图1所示为基于纳米线波导的点衍射光源结构示意图，包括光纤耦合器s1，单模光纤s2，纳米线波导s3；采用光纤耦合器s1将光波长为532nm的空间光耦合入单模光纤s2中，进而传输到纳米线波导s3中，在波导出射端面衍射产生近理想球面波。如图2所示为纳米线波导结构示意图。所述的纳米线波导主要是由二氧化硅包层s3a、硅基底s3b、氮化硅芯层s3c三部分构成的矩形纳米线波导结构。其中，如图3所示，纳米线波导的氮化硅芯层结构，主要包括氮化硅芯层尺寸、弯曲波导部分以及光耦合入波导的耦合器三部分的设计。所述的氮化硅芯层截面尺寸设计需满足单模传输以及基模传输损耗较小的条件；且其模斑形状需十分接近于圆形，从而使衍射远场的分布也是均匀的圆形衍射斑，才可以作为干涉检测的高质量衍射参考球面波。首先，在满足单模传输的条件下，需分析小于250nm以下的氮化硅芯层截面尺寸对于其传输特性的影响。对于基模，随着波导截面尺寸的减小，基模的传输损耗增大，在截面尺寸为150nm时，损耗过大，基模也不存在。且随着波导截面尺寸的减小，模斑的不对称性也愈加明显，同时模斑的尺寸并未减小，这源于强的倏逝场存在于包层中。且在仿真范围内，150nm截面的远场衍射斑反而是最小的，可见进一步减小波导的截面尺寸并未起到增大衍射波前数值孔径的效果。因此波导的截面尺寸并非越小越好，这对于模斑的对称性，还有光的传输效率都有影响，最终决定着衍射场的波前质量。因而，为了满足波导内单模稳定传输条件及产生大数值孔径的衍射波前，氮化硅芯层尺寸可设计为200nm～250nm。表1为不同氮化硅芯层截面尺寸对于传输基模的影响。150nm200nm250nm300nm400nm波导损耗(db/cm)300.800.02-0.0120.0034远场衍射光斑大小(°)2025303030其次，在两波前干涉检测时，为了避免点衍射光源器件遮挡待测波前，所以将纳米线波导的光耦合端和光出射端设计为相互垂直的结构，如图3所示，纳米线波导存在一段弯曲，因此需要对其弯曲半径r进行设计。氮化硅纳米线波导弯曲部分的曲率半径由波导弯曲损耗和模斑光场分布变形量共同决定。波导弯曲部分的曲率半径设计为5μm。最后，需要对将光纤中的光耦合入波导的耦合器进行设计。考虑到耦合器易于加工封装且能达到较高的耦合效率，光纤与纳米线波导的耦合器设计采用y型耦合器，如图3所示。依照上述设计的参数，对纳米线波导进行加工以及端面的切割抛光。所述的纳米线波导是通过薄膜沉积，掺杂原子置换，外延生长，氧化等方法在基底上形成二氧化硅衬底和氮化硅芯层的矩形纳米线波导结构。通过旋涂电子胶、曝光、显影、电子束刻蚀以及清洗、去胶等刻蚀后处理得到矩形纳米线波导结构；最后还需对端面进行解理和抛光。实施例1采用光纤耦合器将波长为532nm的空间光耦合入单模光纤中，进而传输到纳米线波导中，在波导出射端面衍射产生近理想球面波。所述的纳米线波导的平面波导结构，主要包括氮化硅芯层尺寸、弯曲波导部分以及光耦合入波导的耦合器三部分。氮化硅纳米线波导的截面尺寸设计为250nm，满足单模传输的特性，且基模的传输损耗较小，仅为0.02db/cm。如图4a和b所示分别为截面尺寸为250nm的氮化硅纳米线波导在波长532nm下的模场及远场衍射波前分布。可见，其模斑形状十分接近于圆形，衍射场分布也是均匀的圆形衍射斑，可以作为干涉检测的高质量的衍射球面参考波。氮化硅纳米线波导弯曲部分的曲率半径由波导弯曲损耗和模斑光场分布变形量共同决定，则在可忽略的损耗和较小变形量时，弯曲波导部分的曲率半径设计为5μm。图5为加工的弯曲纳米线波导扫描电镜观察图。光纤与纳米线波导的耦合器设计采用y型耦合器，可达到较高的耦合效率，并且易于加工。加工完成的耦合器的扫描电镜观察图如图6所示。实施例2本发明应用于搭建点衍射干涉仪检测大数值孔径球面镜面形的实例描述如下：图7是基于纳米线波导的点衍射光源用于点衍射干涉仪检测大数值孔径球面镜面形的系统原理示意图。将点衍射光源放置于待测波前的像点处，点衍射光源衍射产生的理想参考波前与待测波前产生干涉，经成像镜在ccd探测器上得到干涉条纹，进而实现待测球面镜面形的高精度测量。当前第1页12