[发明专利]共光路偏振点衍射移相干涉波前传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种自适应光学、波前探测、光学元件检测等领域中的关键器件，特别指一种共光路偏振点衍射移相干涉波前传感器。

背景技术

波前传感器是自适应系统中的重要关键器件，用来探测入射光束的波前相位。根据测量信号与波面之间的关系可以将波前传感器分成三大类：第一类是通过测量波前斜率复原波前相位，例如哈特曼波前传感器、横向剪切干涉波前传感器(Appl.Opt.2001，41(19)：3781-3789；强激光与粒子束，2000，12(3)：269-272)；第二类是通过测量波前曲率复原波前相位，例如曲率波前传感器(J.Opt.Soc.Am.A，1994，11(5)：1667-1673)；第三类是直接复原波前相位，典型代表是点衍射干涉波前传感器(Jpn.J.Appl.Phys.1975，14：351-356)。

在所有波前传感器中，哈特曼波前传感器应用最为普遍。其基本原理为：采用微透镜阵列对入射光束进行分割，通过测量透镜阵列焦面上各像斑的质心坐标与参考波前质心坐标之差求解波前斜率。也可使用多个棱面的棱锥对入射光束进行分束，进而测量出波前相位(“Optical wavefront sensing system”，美国专利US4399356)。这两种分波前的波前传感器，子孔径数目决定空间采样率，为了提高测量精度，因而需要增加子孔径个数。然而子孔径数目的增加将对光电探测器件的分辨率提出更高的要求。

干涉波前传感器将入射待测畸变光波与参考光波产生干涉，利用移相技术或空间相位调制技术，由移相干涉图重建波前相位。其中参考光波来源于待测光波而不需要另外引入，因此这种干涉波前传感技术也称自参考干涉波前传感器。与哈特曼波前传感器相比较，干涉波前传感器所采集到的干涉图中的每一个像素对应一个子孔径，这样既可以降低对CCD传感器高空间分辨率的要求，还可以有效提高波前测量结果的空间分辨率(Proc.SPIE，2004，5553：112-126)。

依据参考光波获得方式的不同，干涉波前传感器一般分为三种，即，横向剪切干涉波前传感器、径向剪切干涉波前传感器和点衍射干涉波前传感器。其中，横向剪切干涉技术需要两个相互垂直方向上的剪切量不同的多帧剪切干涉图，而且对波前复原算法的有效性要求高(Appl.Opt.1974，13(3)：623-629)。径向剪切干涉技术通过对入射光波在口径上进行扩大与缩小，并进一步产生径向剪切干涉，尽管原理上不存在横向剪切干涉所遇到的问题，但是该技术同样需要复杂的波前重构算法(例如泽尼克拟合法或迭代法)由剪切相位差重构出待测波前相位(Opt.Lett.2011，36(18)：3693-3695)。这对于一些高空间频率的波前相位而言，横向与径向剪切干涉技术的重建精度均具有较大局限性(Appl.Opt.1964，3(7)：853-857)。点衍射干涉波前传感器利用针孔衍射形成近似于理想平面波或球面波的参考光波，与另一束包含了待测畸变波前信息的测试光波产生干涉，通过分析干涉条纹便可直接重建待测波前相位，而无需剪切干涉技术中的波前重构步骤。同时，点衍射干涉波前传感器在光强闪烁、中心遮拦这种不规则入瞳形状等场合中的实现波前探测具有相当大的优势(Opt.Express，2007，15(21)：13745-13756)。

多数情况下，点衍射干涉波前传感器采用Mach-Zehnder型或者Tymann-Green型干涉结构(Opt.Commun.2010，283(14)：2782-2786；CHINESE OPTICS LETTERS，2011，9(12)：120002-120004)，这样便可以容易地使用PZT移相器在两光束之间引入相移，或通过倾斜反射镜引入空间载波，从而利用移相算法或傅里叶变换法(Appl.Opt.1974，13(11)：2693-2703；J.Opt.Soc.Am.1982，72(1)：156-160)进行求解。这种光学结构的最大缺点是两束相干光束不共路，因而不可避免地存在空气扰动以及周围环境对测量结果的影响。其次，如果使用傅里叶变换法求解波前相位，则由于边界效应的影响，波前测量精度较低；同时，由于需要引入较高载频，波前测量的动态范围也较低。