[发明专利]一种点衍射干涉仪中基于波导效应的针孔衍射分析方法

说明书

本发明公开了一种点衍射干涉仪中基于波导效应的针孔衍射分析方法。本发明解决了常见的针孔衍射分析方法难以实现既加快衍射光场的计算速度又准确分析针孔壁与孔内光场相互作用的难题。本发明的技术特点在于，将针孔作为圆柱形波导来处理其对光场的传导作用，其具体步骤为通过求解麦克斯韦方程组得到针孔后端面处与入射光场相匹配的导模的场分布，进而利用基于场等效原理的近远场变换从针孔后端面处的光场中求得距离针孔有限远处的衍射光场，最终通过分析衍射光场的非径向分量得到衍射波前的性质。本发明为基于电磁场数值方法的针孔衍射分析提供了物理概念和理论支撑，对针孔衍射波前的准确分析有着重要的意义。

技术领域

本发明属于光学领域，具体涉及一种点衍射干涉仪中基于波导效应的针孔衍射分析方法。

背景技术

屏上孔的衍射，是光学领域的重要问题，其准确的分析是困难的，并且有着各种丰富的技术应用。作为高精度的波前相位测量工具，点衍射干涉仪利用针孔的衍射产生近理想的球面波作为干涉仪的参考波，衍射参考波的质量——与理想球面波的偏差是决定干涉仪测量精度的关键因素，因此对针孔衍射特性进行准确的分析是十分必要的。

常用的针孔衍射的分析方法，如标量衍射理论，将针孔作为“光阑”来处理，对入射光场乘上透过率函数来描述针孔，这种标量衍射理论忽略了针孔是具有一定厚度的，未考虑其对孔内光场分布的影响，对于针孔比波长大很多的情况才是有效的近似。然而点衍射干涉仪中针孔应是“亚分辨”的，其尺寸应小于衍射极限的焦点，针孔的尺寸应与波长相当甚至小于波长才能满足测量精度的要求，此时标量理论不再是合适的近似，无法求得精确的结果，三维结构的针孔作为波导，对光的作用不可忽略，此时光场作为电磁波须采用电磁场理论来处理。通过电磁场的数值方法，对光场在针孔中的传播进行模拟，得到针孔附近的衍射光场，再通过近场远推求得远场衍射波，是另一种常用的针孔衍射的分析方法。该矢量衍射方法将光作为电磁波处理，但是三维结构的电磁场数值仿真对计算机的要求较高，需要耗费较长的时间，而且衍射光场的三维仿真要达到所要求的数值计算精度是十分困难的，对于可见光尤是如此。而本发明中提出的一种点衍射干涉仪中基于波导效应的针孔衍射分析方法，则能很好的解决这些问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种点衍射干涉仪中基于波导效应的针孔衍射分析方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明将针孔作为波导来处理其对入射光的传导作用，入射光的传导过程如下：入射光经聚焦透镜聚焦到针孔前端面上并在该面上发生反射与耦合。耦合进入针孔的光以相应的模式场的形式传导到后端面并出射形成衍射光。

所述的针孔结构应该刻蚀在一个高吸收性的并且足够厚的膜层上，具体的针孔结构应该刻蚀在一个厚度为380nm的Cr金属反射膜层上。从而保证针孔起到圆柱形波导的作用。

本发明具体实现步骤如下：

步骤1、通过求解麦克斯韦方程组得到针孔中的模式场；

针孔的截面具有圆柱形对称性，以针孔(1)的轴为z轴，针孔半径为a；对于沿z轴方向传播的时谐电磁场，设其传播因子为

expi(wt-βz) (1)

式(1)中w为角频率,β为传播常数；针孔的膜层可以近似作为理想导体来处理，理想导体界面上的切向电场分量为零；在圆柱形理想波导的边界条件下求解麦克斯韦方程组可得针孔中存在的两种基本模式TE模和TM模，略去相同的传播因子expi(ωt-βz)后，TM模的电场分布为