[发明专利]一种基于微光学器件的径向剪切干涉波前探测装置

摘要

本发明公开了一种基于微光学器件的径向剪切干涉波前探测装置，包括偏振方向调制器(1)，偏振环路径向剪切系统CRSS，微相位调制阵列MPA以及光电探测器(9)，微相位调制阵列MPA由微波片阵列(7)和检偏器(8)组成，利用双折射晶体双折射效应，采用微光学加工方法制作微相位调制阵列实现对径向剪切光束空间相移干涉，通过随机相移算法反演待测光束波前相位分布。本发明采用全共光路结构，能够环境振动免疫，干涉图稳定；结构紧凑，便于移植；微光学器件尺度大，精度要求低，成本低廉，便于批量化生产；光谱范围宽，对色差不敏感。本发明可应用于自适应光学、光学检测、热成像等领域。

主权项

一种基于微光学器件的径向剪切干涉波前探测装置，其特征在于：包括偏振方向调制器(1)，偏振环路径向剪切系统，微相位调制阵列MPA以及光电探测器(9)，微相位调制阵列MPA由微波片阵列(7)和检偏器(8)组成，其中偏振方向调制器(1)用于对入射待测光束偏振态进行调制，包括起偏和偏振方向调制，对于线偏振光入射时，偏振方向调制器(1)可以采用半波片，对入射线偏振光的偏振方向进行调整，角度调整量Δθ与入射光偏振方向和半波片快轴方向夹角θ满足如下关系：Δθ＝2θ   (1)当入射光为非偏振光时，偏振方向调制器(1)应选择起偏器，对入射光偏振状态进行调制；入射光束经过偏振调制器(1)后被转换成具有特定偏振方向的线偏振光，经过偏振分光棱镜PBS(2)后被分成两束偏振方向分别沿水平方向的p光和竖直方向的s光，其中p光被反射，s光被透射，两束线偏振光均进入由透镜L1(3)、反射镜M1(4)、反射镜M2(5)、透镜L2(6)组成的偏振环路径向剪切系统CRSS中，其中透镜L1(3)和L2(6)的焦距分别为f1和f2(f1≠f2)，且L1(3)和L2(6)共焦点，共同组成一个缩束/扩束系统，当p光和s光分别沿L1(3)→M1(4)→M2(5)→L2(6)和L2(6)→M2(5)→M1(4)→L1(3)入射后，分别被扩束和缩束，并再次到达偏振分光棱镜PBS(2)中，由于在扩束和缩束过程中偏振状态并没发生改变，其反射和透射性能仍与入射光相同，即p光仍被反射，s光仍被透射，形成偏振径向剪切干涉光束对，其中，当f1＞f2时，p光将被缩束，s光将被扩束；反之，p光将被扩束，s光将被缩束；偏振径向剪切光束对入射进入微相位调制阵列MPA中，分别经过微波片阵列(7)和检偏器(8)，其中，微波片阵列(7)是在光轴方向与表面平行的双折射晶体基底上，加工周期为2像素×2像素的周期性深槽，利用双折射晶体对不同偏振方向入射光折射率的差异，实现在偏振方向相互垂直的两束光束间引入相移，其中，双折射晶体的快轴方向沿水平方向或竖直方向，像素大小与光电探测器的最小单元尺寸有关，其可以与光电探测器像元尺寸相同，也可以是光电探测其像元尺寸的整数倍，对于2N×2N的光电探测器像元数，微波片阵列的周期数一般为N×N，单个周期微波片阵列数为2×2，设入射光波长为λ，设微波片阵列单个像素的厚度为d，对p光和s光的折射率分别为np和ns，则该像素内的相移量Δδ为：Δδ＝2π|np‑ns|d/λ   (2)在两束偏振方向相互垂直的偏振光束间引入相移量Δδ后，由于其偏振态与双折射晶体快轴方向平行或垂直，因此出射后光束的偏振态不发生改变，仍保持相互垂直状态，不满足相互干涉的条件，检偏器(8)位于微波片阵列(7)之后，其检偏方向介于水平方向和竖直方向之间，用于在两个偏振方向相互垂直偏振光束间选取共同方向的偏振分量，使得形成两束偏振方向相同的相干光束，最终发生相互干涉，形成干涉条纹，设微波片阵列周期数为N×N，对应像素数为2N×2N，(m,n)代表对应周期的行序号和列序号，则对应单个周期内的干涉图可用下式表示：其中，下标1，2，3，4分别表示单个周期内的像素序号；Ii(m,n)为对应周期位置为(m,n)的第i个像素干涉光强，Ia(m,n)为对应周期位置为(m,n)的相干光束a的光强，Ib(m,n)为对应周期位置为(m,n)的相干光束b的光强，Δδi(m,n)为对应周期位置为(m,n)的第i个像素引入的相移量，为对应第(m,n)周期的待测相位差，其取值与原始待测相位以及系统参数有关，即：其中，r＝f1/f2为径向剪切干涉仪的剪切比，[]为取整符号；公式(3)可进一步展开为：Ii(m,n)＝K(m,n)+L(m,n)cos[Δδi(m,n)]+R(m,n)sin[Δδi(m,n)],i＝1,2,3,4   (5)其中，利用上式可以求解系数矩阵K(m,n)，L(m,n)以及R(m,n)，可以利用下式计算待测光束的径向剪切相位差和两个偏振分量振幅分布Ia(m,n)、Ib(m,n)：最终可以利用相关的相位复原算法复原原始待测光束的波前相位分布。