专利名称：基于空间相位调制的环形共光路点衍射干涉仪的制作方法
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，Μ· 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 C. Smith ￠^ ^ “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 —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，1Tsuguo Kohno 等人在文献 Iadialshearing 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 U008). ” 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。

发明内容
本发明的目的正是为了结合传统PDI和CRSI各自的优点而克服其不足，提出一种 新的基于空间相位调制的环形共光路点衍射干涉仪。该点衍射干涉仪采用环形共光路结 构，在参考光与信号光之间引入空间线性载频；使得新的干涉仪稳定性强、不需要专门的参 考光、仅需单幅空间载频干涉条纹，并且不需要任何迭代过程就可以快速准确地复原出待 测波前相位分布情况；提高了波前相位的探测速度，可适用于各种波前相位静态和动态高 精度检测等领域。本发明的基本思想是设计一种新的基于空间相位调制的环形共光路点衍射干涉 仪，该点衍射干涉仪采用环形共光路结构，在参考光与信号光之间引入空间线性载频，利用 空间相位调制技术可以快速准确地复原待测波前相位分布情况。该点衍射干涉仪包括光学 匹配系统、分光镜、第一反射镜和第二反射镜、第一傅立叶透镜和第二傅立叶透镜、含有参 考针孔和测试窗口的双孔空间滤波板、CCD探测器、计算机系统。按光路描述，所述分光镜 将待测激光分为两束，其中透射光束首先被第一反射镜反射后，进入第一傅立叶透镜并在 其焦平面处几乎无损通过双孔空间滤波板上的测试窗口后，进入第二傅立叶透镜形成缩小 光束；然后被第二反射镜反射后再次返回分光镜，作为含待测激光全部信息的信号光；该 测试窗口作为信号光通道，并滤除环境杂散光的影响；而经分光镜的反射光束首先被第二 反射镜反射后，进入第一傅立叶透镜并在其焦平面处通过双孔空间滤波板上的参考针孔发 生小孔衍射，当参考针孔孔径足够小时，衍射光束可以看作近似理想的球面波，经第一傅立 叶透镜后被放大形成近似理想的平面波，然后被第一反射镜反射后被分光镜再次反射作为 理想参考光；并通过调节分光镜倾斜角度引入空间线性载频，最后信号光与参考光在相互 重叠的区域形成含有待测波前相位全部信息的空间载频干涉条纹被CCD探测器接收并送 至计算机系统处理。因此仅需单幅空间载频干涉条纹就可以直接的复原出待测波前的真实相位信息，避免了现有波前相位迭代算法繁杂的迭代过程，提高了波前相位的探测精度和 速度。为实现本发明的上述目的，本发明采用以下技术措施构成的技术方案来实现的。本发明基于空间相位调制的环形共光路点衍射干涉仪，包括光学匹配系统、分光 镜、第一反射镜和第二反射镜、第一傅立叶透镜和第二傅立叶透镜、CXD探测器、计算机系 统；按照本发明，还包括在第一傅立叶透镜和第二傅立叶透镜组成望远镜系统的共焦平面 处添加一个含有参考针孔和测试窗口的双孔空间滤波板。按照光路描述，来自光学匹配系 统的待测激光光束经分光镜分为两束，其中透射光束被第一反射镜反射后进入第一傅立叶 透镜并在其焦平面处几乎无衰减地直接通过双孔空间滤波板上测试窗口后，进入第二傅立 叶透镜形成缩小光束，被第二反射镜反射后再次返回分光镜作为信号光；而经分光镜的反 射光束被第二反射镜反射后进入第一傅立叶透镜并在其焦平面处通过双孔空间滤波板上 的参考针孔发生小孔衍射形成近似理想的球面波，球面波经第一傅立叶透镜准直放大形成 近似理想的平面波，再由第一反射镜反射后被分光镜再次反射作为参考光；信号光和参考 光在它们相互叠加区域发生干涉形成干涉条纹；通过调节分光镜的倾斜角度即可在信号光 束和参考光束之间引入空间线性载频；最后形成包含待测波前相位全部信息的空间载频干 涉条纹被CXD探测器接收并送至计算机系统处理。上述技术方案中，所述分光镜为单波长平板分光镜，它同时起着分光和在参考光 与信号光之间弓丨入空间线性载频的作用。上述技术方案中，为能够产生近似理想的球面波，在所述双孔空间滤波板上设置 的参考针孔孔径大小为爱里斑直径大小量级。上述技术方案中，所述双孔空间滤波板上的测试窗口为圆形小孔，或者是方形小 孔，它作为信号光通道、并且滤除环境杂散光的影响。上述技术方案中，所述双孔空间滤波板上的测试窗口的孔径大小为0. 4-2mm。上述技术方案中，所述的第一反射镜和第二反射镜均为单波长介质膜高反射镜。上述技术方案中，所述的第一傅立叶透镜和第二傅立叶透镜均为正傅立叶透镜。本发明与现有技术相比具有以下特点和有益技术效果1、本发明所公开的基于空间相位调制的环形共光路点衍射干涉仪与传统的哈特 曼波前传感器相比，其CCD探测器每一个像素都有可以看成是一个子孔径，因此每一个像 素点都对应着各自的待测波前分量，这样就提高了波前相位检测的精度和空间分辨率。2、采用本发明基于空间相位调制的环形共光路点衍射干涉仪，其测量的干涉条纹 数据直接反应的是待测波前的相位信息，不需要波前重构过程；而传统的哈特曼波前传感 器是通过探测各个抽样子孔径的斜率信息，然后由斜率信息重构处待测波前的整体分布情 况。3、本发明所公开的基于空间相位调制的环形共光路点衍射干涉仪通过调节分光 镜的倾斜角度，在信号光和参考光之间引入空间线性载频，得到的是空间载频干涉条纹，因 而可以通过基于傅立叶变换的空间相位调制技术快速准确的复原出待测波前的相位信息。4、本发明所公开的基于空间相位调制的环形共光路点衍射干涉仪，以其中一束拷 贝光通过小孔衍射后作为近似理想的参考光，从干涉条纹复原得到的相位信息即为待测波 前真实相位信息；因而不需要像传统的环路径向剪切干涉仪那样繁杂的迭代过程，这样提高了波前相位探测精度和速度。5、本发明所公开的基于空间相位调制的环形共光路点衍射干涉仪，由于第一傅立 叶透镜和第二傅立叶透镜组成的望远镜系统对参考光起着放大的作用，即对参考针孔发生 小孔衍射后的参考平面波起着放大的作用，也就是说采用孔径较大的参考针孔同样可以得 到较为理想的参考平面波，因此与传统的点衍射干涉仪相比本发明对针孔的要求没有那么 严格，同时也提高了光的利用率。6、本发明所公开的基于空间相位调制的环形共光路点衍射干涉仪，由于采用环形 共光路结构、故不需要专门的参考光束、因而对环境因素不敏感，其抗震稳定性强；可满足 恶劣工作环境下对不同类型波前相位动态检测领域；同时测量的干涉条纹数据直接反应了 待测波前相位信息，不需要波前重构过程；因此本点衍射干涉仪更适用于各种波前相位静 态和动态高精度检测等领域。


图1是传统点衍射干涉仪的结构示意图；图2是本发明实施例一基于空间相位调制的环形共光路点衍射干涉仪结构示意 图；图3是本发明所述的双孔空间滤波板结构示意图；图4是本发明实际测量中由CCD探测器采集到的空间载频干涉条纹；图5是本发明实际测量中得到的激光波前相位三维分布图；图6是本发明实施例二的结构示意图。图中，1-光学匹配系统，2-分光镜，3-第一反射镜，4-第一傅立叶透镜，5-双孔空 间滤波板，6-第二傅立叶透镜，7-第二反射镜，8-CXD探测器，9-计算机系统，10-测试窗口， 11-参考针孔。
具体实施例方式下面结合附图，并通过具体实施例对本发明作进一步详细说明，但它仅用于说明 本发明的一些具体的实施方式，而不应理解为对本发明保护范围的任何限定。本发明基于空间相位调制的环形共光路点衍射干涉仪，如图2所示，包括光学匹 配系统1、分光镜2、第一反射镜3和第二反射镜7、第一傅立叶透镜4和第二傅立叶透镜6、 CXD探测器8、计算机系统9 ；按照本发明，还包括在第一傅立叶透镜和第二傅立叶透镜组成 望远镜系统的共焦平面处添加一个含有参考针孔11和测试窗口 10的双孔空间滤波板5，双 孔空间滤波板5如图3所示。按照光路描述，来自光学匹配系统1的待测激光光束经分光 镜2分为两束，其中透射光束被第一反射镜3反射后进入第一傅立叶透镜4并在其焦平面 处几乎无衰减到地直接通过双孔空间滤波板5上的测试窗口后，进入第二傅立叶透镜6形 成缩小光束，被第二反射镜7反射后再次返回分光镜2作为信号光；而经分光镜2的反射光 束被第二反射镜7反射后进入第一傅立叶透镜4并在其焦平面处通过双孔空间滤波板5上 的参考针孔发生小孔衍射，经第一傅立叶透镜4放大，再由第一反射镜7反射后被分光镜2 再次反射作为参考光；信号光和参考光在它们相互叠加区域发生干涉形成干涉条纹；通过 调节分光镜倾斜角度即可在信号光束和参考光束之间引入空间线性载频；最后形成包含待测波前相位全部信息的空间载频干涉条纹被CCD探测器8接收并送至计算机系统9处理。假设待测的激光复振幅表示为Α(χ，γ)θχρ[ Φ(χ, y)]，则本发明所述CCD探测器 8接收到的空间载频干涉条纹强度分布可以表示为
权利要求
1.一种基于空间相位调制的环形共光路点衍射干涉仪，包括光学匹配系统(1)、分光 镜(2)、第一反射镜(3)和第二反射镜(7)、第一傅立叶透镜(4)和第二傅立叶透镜(6)、(XD 探测器(8)、计算机系统(9)；其特征在于还包括在第一傅立叶透镜(4)和第二傅立叶透镜 (6)组成望远镜系统的共焦平面处添加一个含参考针孔(11)和测试窗口(10)的双孔空间 滤波板(5)；按照光路描述，来自光学匹配系统(1)的待测激光光束经分光镜( 分为两束 光，其中透射光束被第一反射镜C3)反射后进入第一傅立叶透镜(4)并通过在其焦平面处 双孔空间滤波板( 上的测试窗口(10)，然后进入第二傅立叶透镜(6)形成缩小光束，被第 二反射镜(7)反射后再次返回分光镜(2)作为信号光；而经分光镜O)的反射光束被第二 反射镜(7)反射后进入第一傅立叶透镜(4)并通过在其焦平面处双孔空间滤波板(5)上的 参考针孔发生小孔衍射，衍射光经第一傅立叶透镜(4)放大，再经第一反射镜( 反射后被 分光镜( 再次反射作为参考光；所述信号光和参考光在相互重叠的区域发生干涉并形成 干涉条纹。
2.根据权利要求1所述的基于空间相位调制的环形共光路点衍射干涉仪，其特征在于 所述分光镜( 为单波长平板分光镜。
3.根据权利要求1所述的基于空间相位调制的环形共光路点衍射干涉仪，其特征在于 所述双孔空间滤波板( 上的参考针孔(11)孔径大小为爱里斑直径大小量级。
4.根据权利要求1所述的基于空间相位调制的环形共光路点衍射干涉仪，其特征在于 所述双孔空间滤波板( 上的测试窗口(10)为圆形小孔，或者是方形小孔。
5.根据权利要求1或4所述的基于空间相位调制的环形共光路点衍射干涉仪，其特征 在于所述双孔空间滤波板(5)上的测试窗口(10)的孔径大小为0. 4-2mm。
6.根据权利要求1所述的基于空间相位调制的环形共光路点衍射干涉仪，其特征在于 所述的第一反射镜(3)和第二反射镜(7)均为单波长介质膜高反射镜。
7.根据权利要求1所述的基于空间相位调制的环形共光路点衍射干涉仪，其特征在于 所述的第一傅立叶透镜(4)和第二傅立叶透镜(7)均为正傅立叶透镜。
全文摘要
本发明涉及一种基于空间相位调制的环形共光路点衍射干涉仪。包括光学匹配系统、分光镜、第一和第二反射镜、第一和第二傅立叶透镜、CCD和计算机系统；还包括在第一和第二傅立叶透镜共焦平面处添加一个含有参考针孔和测试窗口的双孔空间滤波板。待测激光被分光镜分为两束，一束通过参考针孔发生小孔衍射，产生近似理想平面波作为参考光；另一束则几乎无衰减通过测试窗口作为信号光，通过调节分光镜的倾斜角度引入空间线性载频，因此只需一幅载频干涉条纹、且不需要任何迭代过程就可快速准确地复原出待测波前相位分布。本发明采用共光路结构、无需专门的参考光、且系统稳定性强，可适用于各类波前相位动、静态检测领域。
文档编号G01J9/02GK102095504SQ20101057712
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月7日 优先权日2010年12月7日
发明者冯国英, 周寿桓, 杜永兆 申请人:四川大学