用 OAS 光学软件仿真剪切干涉仪

1/引言

干涉仪是一类基于光波干涉原理实现精密测量与分析的核心光学仪器，通过将相干光束分光、传输与合束产生干涉条纹，将被测物理量转化为可观测的相位或光强变化，实现对长度、位移、形貌、光谱、转速等参量的超高精度检测。

干涉仪的类型包括分振幅干涉仪：迈克尔逊干涉仪与泰曼 - 格林干涉仪，马赫 - 曾德尔干涉仪，法布里 - 珀罗干涉仪；共路与自参考干涉仪：斐索干涉仪，剪切干涉仪；萨格纳克干涉仪，光纤与集成光波导干涉仪等

OAS 光学软件支持对各种类型干涉仪的模型进行建模和物理光学追迹，计算在不同条件下产生的干涉条纹。本篇文章介绍剪切干涉仪在 OAS 中的建模和仿真。

2/原理介绍

剪切干涉仪是一类结构紧凑、抗干扰能力强的干涉测量仪器，核心用于分析光场的波前相位分布，尤其适合评估光学元件面形、激光光束质量及光学系统像差。

它的独特优势在于无需单独制备理想参考波前，而是通过特殊光学元件将被测波前 “剪切”（平移或旋转一个微小量），让波前自身的不同部分叠加产生干涉，再从干涉条纹中提取波前的斜率、曲率等信息，最终反推被测对象的光学特性。

3/几何光学模型

如果仅用几何光学追迹的算法进行，探测器上仅有光斑重叠分布的效果，没有干涉条纹。

• 光源波长 0.6328um，光斑半径 0.5mm，剪切板折射率 1.515，厚度 0.1mm，楔角 0.05 度

4/物理光学模型

在原本模型的基础上，将光源更改为平面波入射，剪切板前表面和后表面产生的光程差在探测器相干叠加可以产生干涉条纹。

干涉条纹间隙与波长 / 剪切角 / 剪切板折射率相关。

d=λ/2n/β=239um=0.239mm

• NA=0.005的汇聚光束

通过剪切干涉仪测量光源波前的原理，根据条纹斜率和密度可以计算出波前半径。

光斑半径 0.5mm，NA=0.005 汇聚光入射的干涉条纹倾斜角正切 = 0.282。

• NA=0.025的汇聚光束

通过剪切干涉仪测量光源波前的原理，根据条纹斜率和密度可以计算出波前半径。

光斑半径0.5mm，波前NA=0.025汇聚光入射的干涉条纹倾斜角正切=1.41。

光束波前越汇聚，干涉条纹斜率越大。

• NA=-0.0167的发散光束

光斑半径0.5mm，NA=-0.0167发散光入射的干涉条纹倾斜角正切=-0.94。

发散光束的干涉条纹倾斜方向和汇聚光相反。

• 参数扫描结果

（从平行光到NA=0.02进行参数扫描的干涉条纹）

6/存在表面缺陷时的干涉条纹

通过剪切干涉仪测量表面误差，根据条纹形状和分布可以计算出表面误差的位置和尺度。

当光束经过缺陷表面时，波前的缺陷会在干涉条纹中表现出来。

7/剪切板角度为30度时的干涉条纹

改变剪切板的角度，比如改为30°光束从圆形截面变成了椭圆。

8/结论

OAS 光学软件支持快速建立包括剪切干涉仪在内的各种光学系统的模型，任意修改光源和模型表面参数，在同一个模型下自由选择使用几何光学或者物理光学追迹，并且可以根据仿真需要进行非序列或者自定义序列的追迹方式，精确计算在不同条件下产生的剪切干涉条纹，在系统级别仿真干涉仪的整体光学效应。