[發(fā)明專利]基于圓載頻相位解調(diào)法的光學(xué)系統(tǒng)波前測量裝置及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310441895.8
• 申請日: 2013-09-25
• 公開（公告）號: CN103557948A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳磊;解曉龍;張城;谷晨風(fēng);李金鵬;李博;方波
• 申請（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號: G01J9/02
• 分類號: G01J9/02
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 朱顯國

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光干涉計量領(lǐng)域，特別是一種基于圓載頻相位解調(diào)法的光學(xué)系統(tǒng)波前測量裝置及方法。?

背景技術(shù)

高質(zhì)量的激光波前是實現(xiàn)星間激光通信，慣性約束核聚變，啁啾脈沖放大技術(shù)等高端技術(shù)的前提。與傳統(tǒng)的射頻衛(wèi)星通信技術(shù)相比，星間激光通信技術(shù)具有諸多優(yōu)勢以及巨大的發(fā)展?jié)摿Γ粦T性約束核聚變是解決現(xiàn)代能源短缺問題的主流技術(shù)；利用啁啾脈沖放大技術(shù)得到的脈沖，峰值功率可以達到幾百太瓦量級，如此高功率的激光，可應(yīng)用與于多個研究領(lǐng)域。這三種技術(shù)都以質(zhì)量好的激光波前作為前提，所以激光波前探測顯得尤為重要。?

現(xiàn)如今的波前探測主要采用的技術(shù)有夏克-哈特曼、五棱鏡掃描、徑向剪切干涉術(shù)、橫向剪切干涉術(shù)、點衍射干涉術(shù)等。夏克-哈特曼的優(yōu)勢在于動態(tài)范圍大、精度高，但是它的采樣點少、空間分辨率不夠；五棱鏡掃描則不能進行動態(tài)處理；利用干涉術(shù)可實現(xiàn)對波前質(zhì)量的高精度、高分辨的實時探測，其中典型的有橫向剪切干涉術(shù)、點衍射干涉術(shù)：橫向剪切干涉術(shù)利用被檢面自身產(chǎn)生的雙光束干涉，不需要引入標準波面就可以實現(xiàn)波前的實時測量，但是若要恢復(fù)原始波面需要兩個垂直方向的剪切干涉圖，且波前重構(gòu)算法較為復(fù)雜；點衍射干涉術(shù)同樣不需要引入?yún)⒖疾妫命c衍射板針孔衍射效應(yīng)生成理想波面，結(jié)構(gòu)簡單且精度高，由于系統(tǒng)自身產(chǎn)生參考波前，可以直接從干涉圖中恢復(fù)得到相位，因此現(xiàn)階段大多數(shù)點衍射干涉儀采用時域移相式點衍射干涉術(shù)，但是該技術(shù)易受到移相誤差以及振動的影響。?

綜上所述，目前波前探測系統(tǒng)存在檢測系統(tǒng)復(fù)雜、實驗操作繁瑣的缺點，并且不能滿足瞬態(tài)測量的要求，不能避免移相誤差以及環(huán)境振動對測量造成的影響。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種準確可靠、簡便快捷的基于圓載頻相位解調(diào)法的光學(xué)系統(tǒng)波前測量裝置及方法，能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的瞬態(tài)波前測量。?

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于圓載頻相位解調(diào)法的光學(xué)系統(tǒng)波前測量裝置，包括沿光路方向依次共軸設(shè)置的激光器、擴束器、空間濾波器、待測光學(xué)系統(tǒng)、?點衍射板和CCD相機，其中空間濾波器設(shè)置于擴束器的焦點，點衍射板設(shè)置于待測光學(xué)系統(tǒng)的出射波面匯聚點；所述點衍射板包括針孔和針孔外圍部分，并且針孔外圍部分鍍有高反射膜層；?

激光器發(fā)出一束光，經(jīng)擴束器匯聚到空間濾波器后的出射光為理想球面波，該理想球面波經(jīng)待測光學(xué)系統(tǒng)后攜帶待測光學(xué)系統(tǒng)的像差信息傳播到點衍射板，并經(jīng)點衍射板分成兩束光：一束通過點衍射板針孔部分衍射產(chǎn)生標準球面波，為參考波面；另一束通過點衍射板針孔外圍部分依然攜帶待測光學(xué)系統(tǒng)的像差，為測試波面；參考波面與測試波面發(fā)生干涉被CCD相機接收。?

一種基于圓載頻相位解調(diào)法的光學(xué)系統(tǒng)波前測量方法，采用點衍射板生成包含圓載頻的干涉圖，使用四相位拼接法求解圓載頻干涉圖中的原始相位，具體步驟如下：?

步驟1，激光器發(fā)出一束光，經(jīng)擴束器匯聚到空間濾波器后的出射光為理想球面波，將待測光學(xué)系統(tǒng)置于空間濾波器后方，該理想球面波經(jīng)待測光學(xué)系統(tǒng)后攜帶待測光學(xué)系統(tǒng)的像差信息并傳播到點衍射板；?

步驟2，調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)使點衍射板的針孔與待測光學(xué)系統(tǒng)出射波面匯聚點重合，待測光學(xué)系統(tǒng)的出射波經(jīng)點衍射板分成兩束光：一束通過點衍射板針孔部分衍射產(chǎn)生標準球面波，為參考波面；另一束通過點衍射板針孔外圍部分依然攜帶待測光學(xué)系統(tǒng)的像差，為測試波面；參考波面與測試波面發(fā)生干涉并被CCD相機接收；?

步驟3，沿光軸方向調(diào)整點衍射板的軸向位置，在CCD相機接收的干涉圖中引入圓載頻條紋，得到圓載頻干涉圖；?

步驟4，采用四相位拼接法確定圓載頻干涉圖中的原始相位，得到待測光學(xué)系統(tǒng)的波前。?

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點為：（1）檢測系統(tǒng)簡單，采用很少的元器件實現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)出射波前的測量；（2）實驗操作簡單，只需要將點衍射板沿光軸方向移動就可以形成圓載頻干涉圖；（3）滿足瞬態(tài)測量要求，避免移相誤差以及環(huán)境振動對測量造成的影響。?

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于圓載頻相位解調(diào)法的光學(xué)系統(tǒng)波前測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。?

圖2是本發(fā)明待測光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。?

圖3是本發(fā)明測量裝置中點衍射板的結(jié)構(gòu)示意圖。?

圖4是本發(fā)明四相位拼接法中用正交的半通濾波器對圓載頻干涉圖頻譜做半側(cè)濾波的示意圖，其中(a)為圓載頻干涉圖，(b)、(c)為正交的半通濾波器，(d)為對應(yīng)于(b)中半通濾波器的相位分布圖，(e)為對應(yīng)于(c)中半通濾波器的相位分布圖。?