[发明专利]一种光场相位分布检测系统及检测方法

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种光场相位分布检测系统及检测方法。主要用于光场分析、自适应光学、光学元件度量学、眼科学、光电检测、光学测量、仪器评估、天文学等领域中的光场相位分布检测。

背景技术

光场相位分布检测的需求广泛存在于光场分析、自适应光学、光学元件度量学、眼科学、光电检测、光学测量、仪器评估、天文学等领域中。例如，在自适应光学中，光场相位分布传感器件是适应光学系统中重要的单元之一，它是自适应光学系统中完成自适应能力的首要环节，根据波前变形检测的结果，通过控制单元，反馈控制已变形的波前相位分布，使其尽量恢复到理想情况，这就是光束波前相位检测器件的主要功能，并且必不可少。在光场分析领域中，波前相位检测起着非常重要的作用，特别是在完整分析强聚焦光场过程中，更是不可缺少，波前相位分布检测能够使光束描述更完整，对光束聚焦特性的理解更深刻，对聚焦光束的应用起着重要的方向性指导作用。

在先技术中，存在检测光场相位分布的方法，参见美国专利7,595,729。专利名称是波前传感器(英文为Wavefront sensor)，发明人是Van Heugten和Anthony Y，方法是被检测光束依次通过两个相互平行的屏，每个屏均具有二维阵列排布的圆形小孔，两个屏之间存在相对旋转夹角，这样光通过两个片后会产生莫尔效应(英文为Moire effect)，通过检测透过光束实现光束波前相位的测量，这种方法虽然具有一定的优点，但是存在本质不足，1)这种方法本质上无法实现高空间分辨率的光束波前检测，即两个相连的光束波前横向检测点之间的距离不能达到纳米数量级，本质上受光波衍射理论的限制和圆形小孔阵列制作工艺上的限制；2)这种方法无法实现高数值孔径光学系统中的聚焦光束的波前相位检测，特别是当数值孔径高于0.70时，光束的矢量效应变得显著，当在入射光束为激光光束时，由于激光光束为相干光，光的干涉和衍射效应十分明显，进一步导致这种方法的检测信噪比低，无法实现波前相位检测；3)无法实现小光束波前相位检测，当光束直径小于屏幕上的圆形小孔时，这种方法检测原理不成立，根本无法实现波前相位的检测；4)系统整体结构复杂，结构定位要求高，易收到外界干扰，并且需要二维光电按测器采集图像，这样波强相位检测精度受到光电传感器参数的限制，无法实现高灵敏度的相位分布测量。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供一种光场相位分布检测系统及检测方法，具有实现简单、可分析聚焦光束的波前分布、可实现高空间分辨率的光束波前测量、结构定位要求低、使用范围广等特点。

本发明的基本构思是：利用光纤分束器的近场光耦合相干技术和并列光纤探针扫描技术，基于光波相位可以显著影响光学干涉信号的原理，将光纤分束器的两个光信号输入端利用化学熔融法或热拉法，制作成两个光纤探针，将其并排靠紧进行固定，形成相位检测探针，将相位检测探针和光纤分束器的近场光耦合部分均固定在同一个扫描部件中，扫描驱动模块与扫描部件相连接，带动扫描部件进行移动，实现相位检测探针在被测光场中进行扫描，通过检测光纤分束器的光信号输出端的光强信号，得到光场相位分布。此方法实现简单、可分析聚焦光束的波前相位分布、可实现高空间分辨率的相位测量、结构定位要求低、使用范围广、可操作性强。

一种光场相位分布检测系统，包括光纤分束器、光电探测器、扫描驱动模块和扫描部件，其特点是：所述光纤分束器的输入端至少为两个，每个光纤分束器输入端的前端分别设置为圆锥形状，构成光纤探针；所有的光纤探针并排靠紧并固定，所有光纤探针的光纤传到部分相互固定，制成相位检测探针；相位检测探针和光纤分束器的近场光耦合部分均固定在同一个扫描部件中，光纤分束器的光信号输出端位于扫描部件外；扫描驱动模块与扫描部件相连接，光纤分束器的光信号输出端与光电探测器相连接。

所述的光纤分束器为单模光纤分束器、多模光纤分束器、单模-多模混合型光纤分束器的一种。

所述的光纤分束器其输入端数量大于或等于贰，并且输出端数量大于或等于壹。

所述的扫描驱动模块为压电陶瓷纳米移动平台。

所述的光电探测器为单传感面的光电二极管、雪崩管、光电倍增管的一种。

一种光场相位分布检测系统的检测方法，其特点是：运用光纤分束器的近场光耦合相干技术和并列光纤探针扫描技术，通过光电探测器检测光纤分束器输出端的光强信号，分析聚焦光束的波前相位分布，得到被测光场的相位信息，实现光场相位分布的测量。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和积极效果：