[发明专利]一种基于空间频域参考的波前探测方法

说明书

本发明公开了一种基于空间频域参考的波前探测方法，涉及波前探测技术领域，利用光学元件对待测光束的光场进行两次傅里叶变换，在第一次傅里叶变换后的空间频谱面上引入非对称的十字叉丝作为基准对光场进行调制，采集第二次傅里叶变换后的单幅近场强度图，将单幅近场强度图划分为若干子区域，计算各子区域的波前斜率，利用区域积分算法重构待测光束的波前分布，与传统的波前测量技术相比，本发明波前测量结果与十字叉丝之后的光路像差无关，无需专门进行标定，只需采集单幅近场强度图，便可进行子区域波前斜率提取、波前重构，波前测量的实时性较高，实现方式简单，同时，无需引入专用的波前传感器，易于集成使用，通用性强。

技术领域

本发明涉及波前探测技术领域，具体而言涉及一种基于空间频域参考的波前探测方法。

背景技术

光束波前是描述光场特性的重要参量，也是一类重要的信息载体。通过波前测量技术获取光束波前，不仅可以评估光场的物理特性，如传输能力、聚焦能力等，还可以获得诸多物理信息，如大气湍流分布、光学元件面形、光学系统像差、生物组织位相特征以流场分布特性等。目前，波前探测技术被广泛应用于自适应光学、天文观测、光学元件加工、激光系统光束质量评估、生物医学成像、激光通信等领域，另外，在某些前沿领域，如量子相干性检测、精密微观操控、材料检测、光与物质相互作用过程等，波前探测技术也发挥了重要作用。

波前探测技术的研究历史悠久。1675年牛顿首次发现牛顿环，牛顿环装置是最早的干涉仪，也是人类第一次将波前信息以光强分布的形式展示出来。二十世纪，随着激光器的问世，波前探测技术得到了飞速发展，各类波前探测方法也应运而生。根据测量原理的不同，波前探测技术主要有：干涉类波前探测技术、哈特曼-夏克波前探测技术、曲率波前传感技术、模式波前传感技术、相位差波前测量技术、棱锥波前传感技术、基于衍射传输的波前迭代重构技术等。干涉类波前测量技术的特点在于极高的检测精度，常用于光学元件的面形检测及高精度光束波前的检测等；哈特曼-夏克波前测量技术通过微透镜阵列对光束进行分割，测试各子光束斜率重构波前，其结构简单、皮实性好，在激光技术、天文探测领域获得了广泛的应用；曲率波前传感技术可以有效检测低阶波前分布，常用于采用压电片变形镜的自适应光学系统，提升系统控制带宽；模式波前传感技术直接根据光强的分布计算各阶像差模式的系数，可提高波前检测速度；相位差波前测量技术分析焦点和离焦位置的光强分布反演波前，但由于算法复杂的问题，测试的实时性有待提高；棱锥波前传感技术利用棱镜对焦平面的光束进行分光测量以计算计算，响应速度快，检测精度高，已经在天文观测领域取得重要应用；基于衍射传输的波前迭代重构技术是通过测试衍射光强的分布，使用G-S等迭代类算法恢复波前，虽测试系统简单，但波前反演速度慢且收敛性无法保证。近年来，有学者通过增加基准类的光场调制器件，提升了算法的收敛性，甚至不采用迭代算法直接进行波前反演。此外，一些新型的或基于传统方法改进的波前测量技术也得到学者的关注，如基于表面等离子体的波前测量、基于二元掩膜编码的波前测量、基于散斑的波前恢复技术等。由此可见，目前的检测技术种类繁多，不同波前检测技术各有优势，同时也存在待改进之处。

发明内容

本发明提供了一种基于空间频域参考的波前探测方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于空间频域参考的波前探测方法，利用光学元件对待测光束的光场进行两次傅里叶变换，在第一次傅里叶变换后的空间频谱面上引入非对称的十字叉丝作为基准对光场进行调制，采集第二次傅里叶变换后的单幅近场强度图，将单幅近场强度图划分为若干子区域，计算各子区域的波前斜率，利用区域积分算法重构待测光束的波前分布。

优选地，所述光学元件包含但不限于透镜、抛物面反射镜和球面反射镜。

优选地，所述十字叉丝对光场的调制包含但不限于振幅型和相位型。

优选地，利用传感器采集第二次傅里叶变换后的单幅近场强度图，所述传感器为CMOS或CCD。