[發明專利]一種基于微光學器件的徑向剪切干涉波前探測裝置

在審

• 申請號: 201710086541.4
• 申請日: 2017-02-17
• 公開（公告）號: CN106813778A
• 公開（公告）日: 2017-06-09
• 發明（設計）人: 顧乃庭;黃林海;饒長輝
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G01J3/447
• 分類號: G01J3/447;G01J3/453
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于微光學器件的徑向剪切干涉波前探測裝置，其特征在于：包括偏振方向調制器(1)，偏振環路徑向剪切系統，微相位調制陣列MPA以及光電探測器(9)，微相位調制陣列MPA由微波片陣列(7)和檢偏器(8)組成，其中偏振方向調制器(1)用于對入射待測光束偏振態進行調制，包括起偏和偏振方向調制，對于線偏振光入射時，偏振方向調制器(1)可以采用半波片，對入射線偏振光的偏振方向進行調整，角度調整量Δθ與入射光偏振方向和半波片快軸方向夾角θ滿足如下關系：

Δθ＝2θ (1)

當入射光為非偏振光時，偏振方向調制器(1)應選擇起偏器，對入射光偏振狀態進行調制；

入射光束經過偏振調制器(1)后被轉換成具有特定偏振方向的線偏振光，經過偏振分光棱鏡PBS(2)后被分成兩束偏振方向分別沿水平方向的p光和豎直方向的s光，其中p光被反射，s光被透射，兩束線偏振光均進入由透鏡L1(3)、反射鏡M1(4)、反射鏡M2(5)、透鏡L2(6)組成的偏振環路徑向剪切系統CRSS中，其中透鏡L1(3)和L2(6)的焦距分別為f₁和f₂(f₁≠f₂)，且L1(3)和L2(6)共焦點，共同組成一個縮束/擴束系統，當p光和s光分別沿L1(3)→M1(4)→M2(5)→L2(6)和L2(6)→M2(5)→M1(4)→L1(3)入射后，分別被擴束和縮束，并再次到達偏振分光棱鏡PBS(2)中，由于在擴束和縮束過程中偏振狀態并沒發生改變，其反射和透射性能仍與入射光相同，即p光仍被反射，s光仍被透射，形成偏振徑向剪切干涉光束對，其中，當f₁＞f₂時，p光將被縮束，s光將被擴束；反之，p光將被擴束，s光將被縮束；

偏振徑向剪切光束對入射進入微相位調制陣列MPA中，分別經過微波片陣列(7)和檢偏器(8)，其中，微波片陣列(7)是在光軸方向與表面平行的雙折射晶體基底上，加工周期為2像素×2像素的周期性深槽，利用雙折射晶體對不同偏振方向入射光折射率的差異，實現在偏振方向相互垂直的兩束光束間引入相移，其中，雙折射晶體的快軸方向沿水平方向或豎直方向，像素大小與光電探測器的最小單元尺寸有關，其可以與光電探測器像元尺寸相同，也可以是光電探測其像元尺寸的整數倍，對于2N×2N的光電探測器像元數，微波片陣列的周期數一般為N×N，單個周期微波片陣列數為2×2，設入射光波長為λ，設微波片陣列單個像素的厚度為d，對p光和s光的折射率分別為n_p和n_s，則該像素內的相移量Δδ為：

Δδ＝2π|n_p-n_s|d/λ (2)

在兩束偏振方向相互垂直的偏振光束間引入相移量Δδ后，由于其偏振態與雙折射晶體快軸方向平行或垂直，因此出射后光束的偏振態不發生改變，仍保持相互垂直狀態，不滿足相互干涉的條件，檢偏器(8)位于微波片陣列(7)之后，其檢偏方向介于水平方向和豎直方向之間，用于在兩個偏振方向相互垂直偏振光束間選取共同方向的偏振分量，使得形成兩束偏振方向相同的相干光束，最終發生相互干涉，形成干涉條紋，設微波片陣列周期數為N×N，對應像素數為2N×2N，(m,n)代表對應周期的行序號和列序號，則對應單個周期內的干涉圖可用下式表示：

其中，下標1，2，3，4分別表示單個周期內的像素序號；I_i(m,n)為對應周期位置為(m,n)的第i個像素干涉光強，I_a(m,n)為對應周期位置為(m,n)的相干光束a的光強，I_b(m,n)為對應周期位置為(m,n)的相干光束b的光強，Δδ_i(m,n)為對應周期位置為(m,n)的第i個像素引入的相移量，為對應第(m,n)周期的待測相位差，其取值與原始待測相位以及系統參數有關，即：

其中，r＝f₁/f₂為徑向剪切干涉儀的剪切比，[]為取整符號；

公式(3)可進一步展開為：

I_i(m,n)＝K(m,n)+L(m,n)cos[Δδ_i(m,n)]+R(m,n)sin[Δδ_i(m,n)],i＝1,2,3,4 (5)

其中，

利用上式可以求解系數矩陣K(m,n)，L(m,n)以及R(m,n)，可以利用下式計算待測光束的徑向剪切相位差和兩個偏振分量振幅分布I_a(m,n)、I_b(m,n)：

最終可以利用相關的相位復原算法復原原始待測光束的波前相位分布。