[发明专利]基于空间相位调制的环形共光路点衍射干涉仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种自参考干涉波前相位传感技术，特别涉及一种基于空间相位调制的环形共光路点衍射干涉仪，属于光学检测技术领域。

背景技术

在激光自适应光学系统、高功率激光系统畸变波前实时诊断、光学元件的表面检测、激光光束净化等领域中经常需要测量光波的波前相位分布情况。常用的波前相位传感技术有：哈特曼波前传感技术、曲率波前传感技术以及自参考干涉波前测量技术等。其中，哈特曼波前传感技术的基本原理是利用微透镜阵列把入射波前分割为若干个子波前，然后利用二维阵列光电探测器测量各个子波前经各自的微透镜得到聚焦光斑的质心偏移量，从而得到待测波前的斜率，最后由各种波前重构算法得到待测波前相位分布情况。哈特曼波前传感器标定方便，结构简单，其波前恢复过程可以由线性矩阵运算完成，因而能够实现波前的实时动态测量，是目前应用比较广泛的一类波前传感器。但是其测量精度受到其空间分辨率的限制。与哈特曼波前传感器相比，曲率波前传感技术有它的一些重要的优势，诸如曲率波前传感器获得的波前曲率分布信号，不需要像哈特曼波前传感器那样经过繁琐的计算就可以直接用于控制波前校正系统来校正待测畸变波前，从而加快了反馈速度；但是曲率波前传感器只适用于探测畸变波前空间频率较低的成分，对于高频部分，其精度不如哈特曼波前传感器高。

而作为波前测量技术的自参考干涉仪早已成为光学元件、光学系统以及激光光束质量检测的重要手段，其检测精度可以达到百分之一波长量级。其中点衍射干涉仪(PDI)是一种结构简单的共光路干涉仪，由R.N.Smartt于1972年首先提出。其基本原理如图1所示，在一个半透明平板上设置一个大小合适的通光小孔，形成一个小孔掩模板，小孔掩模板置于会聚透镜焦平面。当通光小孔直径足够小时，由小孔衍射形成可近似看作理想球面波作为参考光波，而透过半透明平板的波前则包含了被测波前相位信息，通过分析参考光与待测光产生的干涉条纹便可以重构待测波前相位分布。然而，由于传统点衍射干涉仪的参考光束与信号光束几乎保持相同的几何光轴，产生的干涉图中通常包含极少的条纹，因此不能采用傅立叶分析法来提取待测波前相位信息；也同样的因为是共光路结构使得在参考光与信号光之间引入相移变得困难。

1964年，M.V.R.K.Murty在文献“A compact radial shearing interferometer basedon the law of refraction，Appl.Opt，3(7)：853-858(1964)”提出了另一种自参考干涉仪，环路径向剪切干涉仪(Cyclic Radial Shearing Interferometry，CRSI)。它是将待测波前经径向剪切干涉仪分别放大和缩小后在相互重叠区域产生干涉从而对畸变波前相位分布进行检测的一种有效的干涉测量技术。由于其采用共光路、无需专门参考光，因而对环境振动等因素不敏感，故可以用于恶劣工作环境条件下；特别是引入了空间相位调制技术使得被测波前相位信息的提取变得容易，即由单幅干涉图就可以实现畸变波前的全场检测，并且具有较高的精度，所以其在瞬态波前检测领域中具有较大优势。如A.R.Barnes和L.C.Smith在文献“A combined phase，near and far field diagnosticfor large aperture laser system，Proc.SPIE.3492，564-572(1999)”中报道了基于CRSI对大口径激光系统的近场和远场的输出波前进行了检测。由于CRSI一般是通过望远系统实现对待测波前的放大和缩小，因此对于缓变波前，当望远系统的放大倍数足够大时，被放大的波前可近似看作理想的平面波；当待测波前相位分布为比较复杂时，即使增大望远系统的放大倍数也难于获得理想的参考平面波，因此本质上从干涉条纹中提取出来的波前相位反映的并不是待测波前真实的相位分布，而是放大波前和缩小波前之间的相位差。为了求得真实的待测波前相位分布，Tsuguo Kohno等人在文献“Radialshearing interferometer for in-process measurement of diamond turning，Opt.Eng.39(10)：2696-2699(2000).”中提出了波前相位迭代算法以减小误差，从而获得了待测波前真实的相位分布的方法；后来四川大学的李大海等人又在文献“Improved formulaof wavefront reconstruction from a radial shearing interferogram，Opt.Lett.33(3)：210-212(2008).”中考虑了放大波前和缩小波前存在相对平移时的情况，得到与实际应用情况更为接近的波前相位迭代公式，进一步的提高了波前相位检测精度。但是通过迭代算法要想使误差的校正达到较高的精度，必须对较多的波前相位采样点进行重构计算，运算量非常大，因此限制了其在线测量和瞬态波前检测等领域的应用。