[發(fā)明專利]一種基于空間頻域參考的波前探測方法

有效

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• 申請日: 2019-05-16
• 公開（公告）號: CN110160662B
• 公開（公告）日: 2020-09-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄧學(xué)偉;王德恩;袁強;張鑫;楊英;趙軍普;陳良明;胡東霞;周維
• 申請（專利權(quán)）人: 中國工程物理研究院激光聚變研究中心
• 主分類號: G01J9/00
• 分類號: G01J9/00
• 代理公司: 北京同輝知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11357
• 代理人: 張明利

本發(fā)明公開了一種基于空間頻域參考的波前探測方法，涉及波前探測技術(shù)領(lǐng)域，利用光學(xué)元件對待測光束的光場進行兩次傅里葉變換，在第一次傅里葉變換后的空間頻譜面上引入非對稱的十字叉絲作為基準(zhǔn)對光場進行調(diào)制，采集第二次傅里葉變換后的單幅近場強度圖，將單幅近場強度圖劃分為若干子區(qū)域，計算各子區(qū)域的波前斜率，利用區(qū)域積分算法重構(gòu)待測光束的波前分布，與傳統(tǒng)的波前測量技術(shù)相比，本發(fā)明波前測量結(jié)果與十字叉絲之后的光路像差無關(guān)，無需專門進行標(biāo)定，只需采集單幅近場強度圖，便可進行子區(qū)域波前斜率提取、波前重構(gòu)，波前測量的實時性較高，實現(xiàn)方式簡單，同時，無需引入專用的波前傳感器，易于集成使用，通用性強。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及波前探測技術(shù)領(lǐng)域，具體而言涉及一種基于空間頻域參考的波前探測方法。

背景技術(shù)

光束波前是描述光場特性的重要參量，也是一類重要的信息載體。通過波前測量技術(shù)獲取光束波前，不僅可以評估光場的物理特性，如傳輸能力、聚焦能力等，還可以獲得諸多物理信息，如大氣湍流分布、光學(xué)元件面形、光學(xué)系統(tǒng)像差、生物組織位相特征以流場分布特性等。目前，波前探測技術(shù)被廣泛應(yīng)用于自適應(yīng)光學(xué)、天文觀測、光學(xué)元件加工、激光系統(tǒng)光束質(zhì)量評估、生物醫(yī)學(xué)成像、激光通信等領(lǐng)域，另外，在某些前沿領(lǐng)域，如量子相干性檢測、精密微觀操控、材料檢測、光與物質(zhì)相互作用過程等，波前探測技術(shù)也發(fā)揮了重要作用。

波前探測技術(shù)的研究歷史悠久。1675年牛頓首次發(fā)現(xiàn)牛頓環(huán)，牛頓環(huán)裝置是最早的干涉儀，也是人類第一次將波前信息以光強分布的形式展示出來。二十世紀(jì)，隨著激光器的問世，波前探測技術(shù)得到了飛速發(fā)展，各類波前探測方法也應(yīng)運而生。根據(jù)測量原理的不同，波前探測技術(shù)主要有：干涉類波前探測技術(shù)、哈特曼-夏克波前探測技術(shù)、曲率波前傳感技術(shù)、模式波前傳感技術(shù)、相位差波前測量技術(shù)、棱錐波前傳感技術(shù)、基于衍射傳輸?shù)牟ㄇ暗貥?gòu)技術(shù)等。干涉類波前測量技術(shù)的特點在于極高的檢測精度，常用于光學(xué)元件的面形檢測及高精度光束波前的檢測等；哈特曼-夏克波前測量技術(shù)通過微透鏡陣列對光束進行分割，測試各子光束斜率重構(gòu)波前，其結(jié)構(gòu)簡單、皮實性好，在激光技術(shù)、天文探測領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用；曲率波前傳感技術(shù)可以有效檢測低階波前分布，常用于采用壓電片變形鏡的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，提升系統(tǒng)控制帶寬；模式波前傳感技術(shù)直接根據(jù)光強的分布計算各階像差模式的系數(shù)，可提高波前檢測速度；相位差波前測量技術(shù)分析焦點和離焦位置的光強分布反演波前，但由于算法復(fù)雜的問題，測試的實時性有待提高；棱錐波前傳感技術(shù)利用棱鏡對焦平面的光束進行分光測量以計算計算，響應(yīng)速度快，檢測精度高，已經(jīng)在天文觀測領(lǐng)域取得重要應(yīng)用；基于衍射傳輸?shù)牟ㄇ暗貥?gòu)技術(shù)是通過測試衍射光強的分布，使用G-S等迭代類算法恢復(fù)波前，雖測試系統(tǒng)簡單，但波前反演速度慢且收斂性無法保證。近年來，有學(xué)者通過增加基準(zhǔn)類的光場調(diào)制器件，提升了算法的收斂性，甚至不采用迭代算法直接進行波前反演。此外，一些新型的或基于傳統(tǒng)方法改進的波前測量技術(shù)也得到學(xué)者的關(guān)注，如基于表面等離子體的波前測量、基于二元掩膜編碼的波前測量、基于散斑的波前恢復(fù)技術(shù)等。由此可見，目前的檢測技術(shù)種類繁多，不同波前檢測技術(shù)各有優(yōu)勢，同時也存在待改進之處。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種基于空間頻域參考的波前探測方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種基于空間頻域參考的波前探測方法，利用光學(xué)元件對待測光束的光場進行兩次傅里葉變換，在第一次傅里葉變換后的空間頻譜面上引入非對稱的十字叉絲作為基準(zhǔn)對光場進行調(diào)制，采集第二次傅里葉變換后的單幅近場強度圖，將單幅近場強度圖劃分為若干子區(qū)域，計算各子區(qū)域的波前斜率，利用區(qū)域積分算法重構(gòu)待測光束的波前分布。

優(yōu)選地，所述光學(xué)元件包含但不限于透鏡、拋物面反射鏡和球面反射鏡。

優(yōu)選地，所述十字叉絲對光場的調(diào)制包含但不限于振幅型和相位型。

優(yōu)選地，利用傳感器采集第二次傅里葉變換后的單幅近場強度圖，所述傳感器為CMOS或CCD。