大口徑光學元件瞬態波前檢測

2021-02-18 光行天下

摘要：為瞬態測量大口徑光學元件波前，提出一種基於斜入射結構的近紅外反射式錯位點衍射幹涉原理的Φ400mm瞬態波前檢測方法。該方案將待測光分成兩束互相錯位的參考光與測試光，從而在幹涉圖中引入高線性載頻，採集到對比度良好的幹涉圖後，利用傅立葉變換相位解調法從單幅幹涉圖中提取待測波前相位，實現瞬態波前動態測量。實驗光路總長近20m，極易受氣流的影響，且由於氣流幹擾隨時間變化，該系統本身可以看作是大口徑光學元件瞬態波前發生與檢測裝置。測試結果與SID4波前傳感器比較，波前均方根（RMS）小於1/50λ，可知所提方法可以實現大口徑瞬態波前的高解析度與高精度檢測。

關鍵詞：光學測量；點衍射幹涉儀；大口徑；瞬態波前

1.引言

近年來,將點衍射幹涉方法用於大口徑瞬態波前檢測已經成為波前檢測的一項熱門技術，尤其在天文光學、視光學以及慣性約束聚變（inertialconfinementfusion,ICF）等領域[1]，由於點衍射幹涉法具有精度高、結構簡單、抗幹擾能力強且測試精度不受參考平面影響等眾多優點，在檢測領域得到廣泛的應用。目前主流的波前測量方法為夏克-哈特曼傳感器法和幹涉法，夏克-哈特曼傳感器法是基於子孔徑或者微透鏡陣列在不同波前傾斜下的不同位置進行波前檢測，適用於大動態範圍內的測量，但子孔徑拼接法拼接難度大，微透鏡陣列法精度受制於加工水平，測得面型精度低於幹涉法[2-3]。幹涉法波前檢測主要分為橫向剪切法和點衍射幹涉法，剪切法提取幹涉圖中波前梯度，通過重建算法恢復待測波面，若要實現高精度以及高解析度的要求，剪切幹涉儀尺寸需很大且重建算法複雜[4-5]。點衍射幹涉法同樣通過解調幹涉圖的方式恢復待測波面，不同於剪切法，點衍射幹涉法精度不受參考面型制約，恢復的是波面本身而非波面梯度。21世紀以來，關于波前檢測的研究發展迅速。2004年，Millerd等[6]通過在點衍射幹涉儀中加入微透鏡陣列和偏振點衍射板獲得四幅相移幹涉圖進而提出了一種瞬態波前檢測方法。2006年，Neal和Wyant[7]在文章中提出用於點衍射幹涉系統的雙折射針孔板，這也是一種利用偏振的方法就參考波面與待測波面分開的方法。2007年，北京理工大學劉克[8]提出相移式點衍射幹涉儀，通過光柵移動來實現時間移相，2012年，杜永兆等[9]構建了一種環形共光路的點衍射幹涉系統，並利用傅立葉變換法解調待測波面相位信息。2013年，白福忠等[10-11]根據馬赫-曾德爾幹涉法提出了適用於自適應光學領域的同步相移點衍射幹涉法。2014年南京理工大學的李金鵬、陳磊等[12]將其運用於大口徑瞬態波前測量上。

本文提出了一種基於近紅外反射式錯位點衍射幹涉原理的Φ400mm大口徑瞬態波前檢測方法，為了滿足大口徑瞬態波前檢測高解析度高精度的要求，利用反射錯位的方法使參考球面波與測試球面波產生橫向錯位，從而在幹涉圖中引入高線性載頻，所得幹涉圖利用傅立葉變換相位解調法[13-15]，直接從中恢復波前分布，實現瞬態波前的動態測量。

圖1.反射式錯位點衍射幹涉儀原理圖 

2.理論推導

反射式錯位點衍射幹涉儀的波前檢測原理如圖1所示。待測波前與點衍射板成θ角入射到其前表面狹縫上，一部分光被直接反射作為待測光，另一部分光透過狹縫經後表面鍍增反膜的部分反射至前表面針孔處，經針孔衍射產生理想球面波作為參考光，兩束光在CCD靶面處形成幹涉，成像透鏡對出瞳位置成像。由於兩束光波在橫向上的錯位，從而引入了高線性載頻。調整入射角θ在幹涉圖中引入儘可能接近於奈奎斯特頻率而不高於其線性載頻。如圖1所示，O'、P'分別是O和針孔的共軛點，以O'點為坐標原點建立坐標系，將待測波前記作CCD靶面處的波前表達式記為WA(x,y)，則待測光的復振幅：

（1）

式中：t1是狹縫所鍍薄膜的折射率，A是入射波面的振幅，l'是成像透鏡到CCD靶面的距離，-z'是成像鏡頭到共軛點O'的距離，k=2π/λ，λ是入射光波長，rT(x',y')是待測波面在CCD靶面內(x',y')處的曲率半徑

（2）

同樣，參考光的復振幅可表示為

（3）

.

3.實驗結果


根據圖2(a)光路搭建測試光路如圖2(b)所示。工作波長1313nm的近紅外光纖光源作為點光源通過空間濾波器產生標準球面波，經擴束後透過分束器入射到直徑400mm，F數10的離軸拋物鏡上，離軸拋物鏡實現會聚波面與準直波面的轉換，準直光束入射到反射平面鏡後反射回到離軸拋物鏡再次轉換為會聚光束，形成的待測光束經分光鏡反射進入幹涉儀中，一部分在狹縫處直接反射形成待測波面，另一部進入針孔後衍射形成標準球面波作為參考波前，與待測波前進行幹涉，形成的線性載頻幹涉圖經成像透鏡被CCD採集。實驗光路總長近20m，極易受氣流的影響，且由於氣流幹擾隨時間變化，該系統本身可以看作是大口徑光學元件瞬態波前發生與檢測裝置。

2.光路示意圖。(a) 測試光路圖；

2.光路示意圖。(b) 實際搭建光路圖

.

鑑於篇幅，本次推送僅為節選（光電工程 DOI: 10.12086/oee.2018.170536），全文內容請訪問：http://www.opticsky.cn/read-htm-tid-132903.html（複製連結到瀏覽器打開）下載PDF全文內容。

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