[发明专利]一种基于双层亚波长孔结构的径向剪切波前测量系统

说明书

本发明公开了一种基于双层亚波长孔结构的径向剪切波前测量系统，所述径向剪切波前测量系统至少包括：双层亚波长孔结构阵列径向剪切干涉板、CCD图像传感器和波前重建单元，所述双层亚波长孔结构阵列径向剪切干涉板被配置为将待检测光束波前分为两束孔径不同且面型一致的波前，并将两束波前照射至所述CCD图像传感器之上；所述CCD图像传感器被配置为基于接受的两束波前形成干涉图像；所述波前重建单元被配置为基于从所述CCD图像传感器获得的干涉图像完成待检测光束波前的信息重建。本发明测量系统极大地减小了系统体积、提高了集成度和抗干扰能力，为激光光束质量测量提供了更为准确和不可或缺关键参数。

技术领域

本发明属于光学探测技术领域，尤其涉及一种基于双层亚波长孔结构的径向剪切波前测量系统。

背景技术

激光系统在使用中，光学元件热效应或大气扰动等都会造成波前畸变，引起焦斑强度分布改变。根据光束质量对激光波前进行矫正，是降低不利影响、提升激光效能的重要手段。因此，精确、快速的光斑检测设备需求迫切。

目前光束质量的检测主要包括光斑表征和波前检测两大类。光斑表征主要测试光斑的强度分布，可作为激光聚焦效果的评价依据；而波前检测通过检测激光在传播中的波前信息，通过算法不仅可重构焦斑尺寸和能量分布，更重要的是可为激光波前补偿提供依据，为实现激光的高效聚焦提供支撑。

空间光场分布E(r) 可以由实振幅分布A(r) 和相位分布φ(r) 描述。由电磁场亥姆霍兹波动方程可知,强度分布仅反映静态能量分布，波前则反映光场能量在空间中的分布及能量流动；二者共同决定光束的传播。因此，单一的强度分布检测，无法准确描述光束质量。

目前常用的波前检测传感器中， Shack-Hartmann传感器速度快可以用于闭环实时校正，但分辨率低，不能探测高频成分，精度还需改善；传统的干涉仪具有极高分辨率和精度，但由于结构复杂、环境敏感，仅适用于静态特性测量；knife-edge方法极易受环境干扰仍需改进。

基于剪切干涉技术的波前测试方法利用的是光的干涉效应，利用参考光将相位数据转换为容易探测的强度数据，具有比其他检测方法更高的检测精度。特别是径向剪切干涉波前探测技术具有比点衍射干涉和横向剪切干涉技术更多优势，是近年来波前检测的重要研究方向。它相比于点衍射干涉具有能量利用率高、无需参考光设置的优势；相比于横向剪切干涉技术具有波面信息无泄漏的优势。然而目前报道径向剪切干涉波前探测装置体积大、元件较多、集成化低、精度较低、速度慢、剪切率调节难度大、难以在复杂工作环境实现快速高精度的波前测量；基于二值波带片和一些其它关键尺寸在微米级的MEMS干涉板，存在空间分辨率低、光场调控能力差、带宽较低、对比度差等问题，难以实现波前的精确恢复。以上等问题是制约其实用化的重要因素。

现有波前测量系统存在体积大、元件较多、集成化低、对比度差、精度较低、速度慢、无法实现动态波前与波长检测等问题。体积大、元件较多、集成化低导致了波前测量容易受到环境因素（如温度、震动）的影响，难以在复杂工作环境实现快速高精度的波前和强度分布测量，上述问题极大地限制了光束质量测量的准确性。

解决现有波前检测传感器的不足，达到能量利用率高、无需参考光设置、波面信息无泄漏、结构简单、不易受环境干扰，为激光束的精确调控提供依据，是本发明的初衷。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种基于双层亚波长孔结构的径向剪切波前测量系统，本发明测量系统采用双层亚波长孔结构的结构径向剪切干涉板，取代传统体式光学元件，极大地减小了系统体积、提高了集成度和抗干扰能力，为激光光束质量测量提供了更为准确和不可或缺关键参数。可满足复杂环境下实时、精确的激光波前质量动态测量的要求。

本发明目的通过下述技术方案来实现：