專利名稱：光波波前探測(cè)裝置及其探測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及波前探測(cè)，特別是一種實(shí)際平面波波前與標(biāo)準(zhǔn)平面波波前相比偏離程度的光波波前探測(cè)裝置及其探測(cè)方法。
背景技術(shù)：
在激光光束質(zhì)量診斷、自由空間光通訊等，尤其是大孔徑激光束的應(yīng)用場(chǎng)合中，經(jīng)常需要對(duì)激光束的波前進(jìn)行檢測(cè)，以判斷其是否滿足要求，即是否為理想波前。很多場(chǎng)合中要求這類設(shè)備的靈敏度優(yōu)于1％波長(zhǎng)；同時(shí)要求探測(cè)速度快，能實(shí)時(shí)探測(cè)；并且具有較低的成本。波前探測(cè)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于自適應(yīng)光學(xué)、激光光束質(zhì)量診斷以及眼科檢測(cè)等。目前應(yīng)用比較廣泛的高靈敏度波前檢測(cè)方法主要有哈特曼(Shack-Hartmann)波前傳感技術(shù)、剪切干涉方法和曲率傳感法。
哈特曼波前傳感技術(shù)應(yīng)用最廣的是經(jīng)過Shack改進(jìn)的哈特曼波前傳感器，Shack采用微透鏡陣列代替原來的子孔徑陣列。哈特曼波前傳感器利用微透鏡陣列將被測(cè)波前在焦面上聚焦成子焦斑，子焦斑被透鏡成像在CCD接收面上，如果光束的波前出現(xiàn)畸變，子焦斑就會(huì)偏離中心，測(cè)量各自像的偏移，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換并經(jīng)計(jì)算機(jī)處理得到波前的斜率，由此重構(gòu)波前的位相與強(qiáng)度分布，見B.C.Platt，Roland Shack，History and Principles ofShack-Hartmann Wavefront Sensing，Journal of Refractive Surgery Vol.17，2001，pp573。哈特曼方法的精度主要取決于陣列透鏡的一致性以及采用光電探測(cè)器的象素尺寸，因此測(cè)量精度不是很高，不能探測(cè)子透鏡探測(cè)面內(nèi)具有中心對(duì)稱的位相偏移。
剪切干涉法測(cè)量波前的靈敏度優(yōu)于1％波長(zhǎng)，見G.W.R.Leibbrandt，etc.，Wave-front analysis with high accuracy by use of a double-grating lateral shearinginterferometer，Applied Optics，Vol.35(31)，1996，pp6151。剪切干涉儀的原理是被測(cè)波前通過特定的分光元件將其分成兩部分，并使之產(chǎn)生某種相對(duì)位移(橫向、徑向、旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)等)，波前之間的相互位移稱為剪切，經(jīng)過剪切的兩部分波前產(chǎn)生干涉，通過干涉條紋得到待測(cè)波前的位相與強(qiáng)度信息。剪切干涉儀測(cè)量精度取決于剪切元件的質(zhì)量，分析波前變形算法比較復(fù)雜。
以上兩種方法都可用于實(shí)際波前的位相分布的探測(cè)，但都存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需要高成本元器件等缺點(diǎn)。例如剪切干涉法，1％波長(zhǎng)波前的探測(cè)要求所有的光學(xué)元件表面誤差也要達(dá)到同等要求，這對(duì)于大口徑的光學(xué)檢測(cè)成本極高，幾乎難以實(shí)現(xiàn)。而哈特曼波前傳感技術(shù)要得到較高的測(cè)量精度，就必須采用象素尺寸更小的CCD探測(cè)器，眾所周知，CCD探測(cè)器的價(jià)格隨著象素尺寸的減小，成本急劇增高。因此實(shí)際中非常需要一種低成本、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，并具有高靈敏度的波前變形探測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際波前與理想波前的微小偏離進(jìn)行探測(cè)，本發(fā)明正是基于此用途比較合適的方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種光學(xué)波前探測(cè)裝置和方法，該裝置和方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠并能高靈敏度地探測(cè)波前變形。
本發(fā)明的實(shí)質(zhì)是利用衍射光學(xué)中的消零點(diǎn)位相板，即利用消零點(diǎn)位相板對(duì)入射平面波前的位相分布進(jìn)行調(diào)制，使入射波前經(jīng)過該位相板調(diào)制后的激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑的零級(jí)譜點(diǎn)光強(qiáng)為零，通過測(cè)量聚焦光斑零級(jí)譜點(diǎn)光強(qiáng)的變化來實(shí)現(xiàn)高靈敏度的判斷入射波前偏離理想平面波前的波面差。波面差定義為實(shí)測(cè)波面與理想平面波前的差別。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種光波波前探測(cè)裝置，其特征是在一光軸上依次設(shè)有第一聚焦透鏡、針孔濾波器、平行光管、消零點(diǎn)位相板、第二聚焦透鏡和CCD陣列探測(cè)器，該針孔濾波器的針孔位于第一聚焦透鏡的后焦點(diǎn)和平行光管的前焦點(diǎn)上，該CCD陣列探測(cè)器的光敏面位于第二聚焦透鏡的焦平面上，該CCD陣列探測(cè)器的輸出端與一計(jì)算機(jī)相連。
所述的消零點(diǎn)位相板為
位相分布的環(huán)帶結(jié)構(gòu)位相板，該位相板的歸一化環(huán)帶半徑結(jié)構(gòu)為α1=1/2.]]>用本發(fā)明光波波前探測(cè)裝置進(jìn)行波前探測(cè)的方法，包括下列步驟①建立上述光波波前探測(cè)裝置；②在第一聚焦透鏡之前沿所述光軸輸入待測(cè)波前；
③在計(jì)算機(jī)的顯示屏上觀測(cè)由CCD陣列探測(cè)器所探測(cè)的激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖象；④判斷若零級(jí)譜點(diǎn)光強(qiáng)為零，則待測(cè)波前是完善的，否則待測(cè)波前是不完善的。
所述的計(jì)算機(jī)對(duì)CCD陣列探測(cè)器所獲取的激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑的零級(jí)譜點(diǎn)光強(qiáng)I0和一級(jí)譜點(diǎn)光強(qiáng)I1進(jìn)行計(jì)算得到I1/I0，其值無窮大，則為理想平面波；其值越小，則波面差越大。
本發(fā)明優(yōu)先采用(0，π)結(jié)構(gòu)的二元位相板，原理上也可以采用其它多階的位相板。位相板制作采用微電子光刻制作工藝，可以保證很高的制作精度。消零點(diǎn)位相板對(duì)入射平面波進(jìn)行調(diào)制，使激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑的中心零級(jí)譜點(diǎn)為零。
本發(fā)明與在先技術(shù)相比具有的優(yōu)點(diǎn)1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，只需要一塊消零點(diǎn)位相板和普通CCD探測(cè)器；2、波面差不需要復(fù)雜的算法就可得到，有利于高速測(cè)量；3、探測(cè)靈敏度高，由I1/I0值的變化可以探測(cè)小于1％波長(zhǎng)的位相變化。
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中圖2為實(shí)驗(yàn)所用消零點(diǎn)位相板的結(jié)構(gòu)，位相差為π，a為內(nèi)環(huán)半徑，b為外環(huán)半徑，歸一化后a=1/2,]]>b＝1。
圖3為深度相差小于1％波長(zhǎng)時(shí)位相板的結(jié)構(gòu)示意圖，13e為正好π位相深度時(shí)的位相板，13f、13g分別為深度小于和大于π位相1％波長(zhǎng)時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為實(shí)驗(yàn)中所用消零點(diǎn)位相板實(shí)測(cè)輪廓圖，采用Taylor Hobson高精度臺(tái)階輪廓儀進(jìn)行測(cè)量，ΔZ為位相板的深度。制作位相板所用玻璃折射率為1.521(激光波長(zhǎng)0.6328μm)，對(duì)應(yīng)的π位相深度為0.607μm。
圖5為13e、13f、13g三個(gè)位相板得到的消零點(diǎn)光斑灰度圖。
圖6為對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，13e、13f、13g分別為位相深度相差為1％、2％波長(zhǎng)的消零點(diǎn)位相板產(chǎn)生的聚焦光斑徑向光強(qiáng)分布。
圖7為平行光管7移動(dòng)時(shí)波面差計(jì)算原理示意圖，16為本發(fā)明定義的波面差，17為匯聚球面波半徑。
圖8為實(shí)驗(yàn)中由CCD采集得到實(shí)際光斑，12為平行光管7未離焦時(shí)的消零點(diǎn)光斑，13c、13d分別為平行光管7離焦不同距離后的光斑圖。
圖9為圖8中光斑的徑向光強(qiáng)分布曲線圖。
圖10為不同深度位相板10得到的I1/I0實(shí)驗(yàn)曲線。
圖11為通過平行光管7移動(dòng)得到的I1/I0實(shí)驗(yàn)曲線。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
本發(fā)明光波波前探測(cè)裝置一個(gè)具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由圖可見，本發(fā)明光波波前探測(cè)裝置，其構(gòu)成是在一光軸上依次設(shè)有第一聚焦透鏡3，針孔濾波器5，平行光管7，消零點(diǎn)位相板10，第二聚焦透鏡11，CCD探測(cè)器14，該針孔濾波器5的針孔位于第一聚焦透鏡3的后焦點(diǎn)和平行光管7的前焦點(diǎn)上，該CCD探測(cè)器14的光敏面位于第二聚焦透鏡11的焦平面上，該CCD探測(cè)器14的輸出端與一計(jì)算機(jī)15相連。所述的消零點(diǎn)位相板10為
位相分布的環(huán)帶結(jié)構(gòu)位相板，該位相板的歸一化環(huán)帶半徑結(jié)構(gòu)為α1=1/2.]]>用本發(fā)明波前探測(cè)裝置進(jìn)行波前探測(cè)的方法包括下列步驟①按照實(shí)施例建立光波波前探測(cè)裝置；②在第一聚焦透鏡3之前沿所述光軸輸入待測(cè)波前2，該待測(cè)波前2既可由同軸設(shè)置的激光器1發(fā)出的光束2，也可以是直接同軸地輸入一待測(cè)光束2；③在計(jì)算機(jī)15的顯示屏上觀測(cè)由CCD陣列探測(cè)器14所探測(cè)的激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖象；④判斷若零級(jí)譜點(diǎn)光強(qiáng)為零，則待測(cè)波前是完善的，否則待測(cè)波前是不完善的。
在所述的波前探測(cè)方法中，計(jì)算機(jī)15對(duì)CCD陣列探測(cè)器14所獲取的激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑的零級(jí)譜點(diǎn)光強(qiáng)I0和一級(jí)譜點(diǎn)光強(qiáng)I1進(jìn)行計(jì)算得到I1/I0，然后再進(jìn)行判斷更好，其值無窮大，則為理想平面波；其值越小，則波面差越大。
下面闡述其原理激光器1出射的激光束2經(jīng)第一聚焦透鏡3聚焦為光束4，然后由針孔濾波器5進(jìn)行濾波，濾波后的光束6經(jīng)過平行光管7形成平行波前8，再經(jīng)消零點(diǎn)位相板10調(diào)制，由第二聚焦透鏡11在其焦面上形成入射待測(cè)波前的遠(yuǎn)場(chǎng)分布，即消零級(jí)譜點(diǎn)的光斑12，該光斑由CCD陣列探測(cè)器14接收，接收的圖象數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)15來處理。平行光管7可以沿光軸移動(dòng)產(chǎn)生一定的離焦量，離焦必然使出射激光的波前發(fā)生變化，進(jìn)而影響聚焦后光斑的零級(jí)譜點(diǎn)光強(qiáng)分布；消零點(diǎn)位相板10的制作誤差也可以在光路中引入波前變化。由于任意波前的變化均會(huì)導(dǎo)致零級(jí)譜點(diǎn)光強(qiáng)的上升，因此只要根據(jù)零級(jí)譜點(diǎn)的光強(qiáng)探測(cè)就可以判斷出入射波前的誤差。如果探測(cè)器的零級(jí)譜點(diǎn)光強(qiáng)探測(cè)不出任何差別，那么就可以認(rèn)為待測(cè)的波前是完善的；CCD陣列探測(cè)器探測(cè)到極微小的差別，那么就說明待測(cè)波前就是不完善的，與理想波前存在一定的波面差。因此就構(gòu)成了具有極高靈敏度的本發(fā)明的光波波前探測(cè)裝置和方法。
借助于不同結(jié)構(gòu)的位相板可以對(duì)激光束波前進(jìn)行各種變換，平行光束通過環(huán)帶位相板，圖2所示的兩環(huán)帶位相板后的光場(chǎng)分布Ψ可以表示為[Tasso R.M.Sales and G.Michael Morris，Diffractive superresolution elements，J.Opt.Soc.Am.A，14(7)，1997，pp1637]ψ(η)=2J1(η)η-[1-exp(iφ0)](-1)N+1Σj=1N-1(-1)j×αj22J1(αjη)αjη---(1)]]>其中R為出瞳半徑，ρ為徑向坐標(biāo)，η為歸一化坐標(biāo)，η＝2πrρ/λz，z為探測(cè)面到光學(xué)系統(tǒng)出瞳的距離，j＝1，2...，N，N為環(huán)帶數(shù)，αj為第j個(gè)環(huán)帶的歸一化半徑，φj為第j個(gè)環(huán)帶的位相。
消零點(diǎn)位相板可以利用公式(1)通過對(duì)數(shù)值計(jì)算得到。對(duì)于兩環(huán)帶位相板，即N＝2，當(dāng)φ0＝π時(shí)，在η＝0位置，取ψ(η)=2J1(η)η-[1-exp(iπ)](-1)3Σj=11(-1)1×α122J1(α1η)α1η=0---(2)]]>
最后可解出，α1=1/2,]]>即當(dāng)位相板歸一化環(huán)帶半徑為 時(shí)，平行光經(jīng)過位相板調(diào)制后零級(jí)譜點(diǎn)光強(qiáng)為零。這就得到了位相調(diào)制為π時(shí)的消零點(diǎn)位相板。
通過對(duì)α1=1/2]]>結(jié)構(gòu)位相板的進(jìn)一步計(jì)算，可以得到能夠應(yīng)用于波前測(cè)量的結(jié)果。由(1)式可以得到通過任意位相調(diào)制φ0位相板后光場(chǎng)的零級(jí)譜點(diǎn)光強(qiáng)分布I0(φ0)ψ0(φ0)=2J1(η)η-[1-exp(iφ0)]×α122J1(α1η)α1η=1-α12+α12cosφ0+iα12sinφ0---(3)]]>I0(φ0)=ψ(0)ψ(0)*=1-2α12+2α14+2(α12-α14)cosφ0=cos2φ02---(4)]]>由(4)可知，當(dāng)φ0＝π時(shí)，I0(φ0)＝0。如果平行光管7產(chǎn)生無波面差的平行波前，那么由于消零點(diǎn)位相板的作用，在聚焦透鏡11的焦平面上，就會(huì)產(chǎn)生沒有零級(jí)光譜點(diǎn)的光強(qiáng)分布，也就是零級(jí)譜點(diǎn)的光強(qiáng)為零。φ＝φ0+δφ時(shí)，I0(δφ)=cos2π+δφ2=sin2δφ2---(5)]]>可以看出零級(jí)譜點(diǎn)光強(qiáng)I0(δφ)與位相變化δφ的關(guān)系。當(dāng)光路中插入很小的位相變化，就可以在零級(jí)譜點(diǎn)光強(qiáng)的變化中體現(xiàn)出來。激光能量不同時(shí)，零級(jí)譜點(diǎn)的絕對(duì)光強(qiáng)I0能量分布也會(huì)不同，因此在實(shí)用中不是很方便。因此僅僅測(cè)量I0的強(qiáng)度值不方便做為判斷波前是否完美的依據(jù)；零級(jí)譜點(diǎn)光強(qiáng)為零時(shí)，光能主要轉(zhuǎn)移到高級(jí)譜點(diǎn)中，特別是一級(jí)譜點(diǎn)光強(qiáng)I1往往是最大的光強(qiáng)級(jí)。因此測(cè)量I1/I0就可以成為非常實(shí)用的一個(gè)判斷波前是否完美的一個(gè)參數(shù)，同時(shí)I1/I0的值與待測(cè)波面激光能量無關(guān)。I1/I0中I0在分母上，當(dāng)波前為理想波前時(shí)，I1/I0為無窮大，說明此時(shí)靈敏度為無窮大，波前只要產(chǎn)生微小的波面差，I0就會(huì)有一個(gè)值，這樣從I1/I0的變化會(huì)很靈敏的表現(xiàn)出來，因此本發(fā)明具有很高的靈敏度。在實(shí)驗(yàn)中證明利用本發(fā)明簡(jiǎn)單的裝置就可以達(dá)到優(yōu)于1％波長(zhǎng)的靈敏度。利用消零點(diǎn)位相板的這種性質(zhì)，可以用來探測(cè)波前的微小位相變化。
I1/I0的值可以通過進(jìn)一步的計(jì)算得到。由(2)式，令
∂ψ∂η=2J2(η)η-2α13[1-exp(iφ0)]J2(α1η)α1η=0---(6)]]>可解出I的極值位置ηj，在其中就可得到第一極大值位置η1，從而得到I1的值。(6)式可利用下面的貝塞耳函數(shù)級(jí)數(shù)近似式得到其解Jn(x)=Σm=0∞(-1)mxn+2m2n+2mm!(n+m)!---(7)]]>取其前四項(xiàng)，代入(6)式就可以得到η1比較精確的解。
由公式(2)可得出I(η)=ψ(η)ψ(η)*=4[J1(η)η]2+4(cosφ0-1)J1(η)J1(α1η)α1η2-2(cosφ0-1)[J1(α1η)α1η]2---(8)]]>利用(8)式，可得一級(jí)極大處光強(qiáng)。當(dāng)光路中插入位相變化δφ時(shí)，取α1=1/2,]]>進(jìn)而可以計(jì)算出I1/I0值I1I0=4[J1(η1)η1]2+4[(cosφ0+δφ)-1]J1(η1)J1(12η1)12η12-2[(cosφ0+δφ)-1][J1(12η1)12η1]2cos2φ0+δφ2---(9)]]>這種方法不需要制作標(biāo)準(zhǔn)參考光束或表面，對(duì)于不同的理想波前制作出相應(yīng)的消零點(diǎn)位相板，通過對(duì)經(jīng)消零點(diǎn)位相板調(diào)制后聚焦光斑的I1/I0值就可以得到波面差值。不同波面差時(shí)，I1/I0值可由理論計(jì)算得出，測(cè)出實(shí)際的I1/I0值，就可得到由于光路中引入位相變化產(chǎn)生的波面差。本發(fā)明能夠探測(cè)出由于位相變化引起的波面差的最大值，但還不能確定波面差的具體分布。
本實(shí)施例所用玻璃在0.6328μm波長(zhǎng)時(shí)折射率為1.521，相應(yīng)的π位相深度為0.607μm。當(dāng)位相板深度與理想π位相深度有偏差時(shí)，所得的聚焦光斑零級(jí)光強(qiáng)與一級(jí)光強(qiáng)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。位相深度偏差越大，零級(jí)譜點(diǎn)光強(qiáng)越大，一級(jí)譜點(diǎn)光強(qiáng)相應(yīng)下降，I1/I0比值則隨著位相深度偏差的增大而減小。
所用位相板采用光刻濕法刻蝕制作。掩模板根據(jù)計(jì)算所得的位相板尺寸、結(jié)構(gòu)由電子束直寫技術(shù)制成，利用光刻技術(shù)將掩模板圖形刻蝕在光刻膠干板上，光刻膠干板為鍍145nm或其它合適厚度的玻璃基板；光刻后的干板由顯影液刻蝕掉曝過光的部分，以所需圖形的形式曝露出鉻層，鉻層經(jīng)過去鉻液腐蝕；然后利用濕法在玻璃基底上刻蝕出所需的位相深度，濕法腐蝕液為體積比1∶30的HF+NH4F(40％)溶液；最后去膠去鉻后就得到所需的位相板?？涛g中刻蝕液放在水浴恒溫裝置中，以保證刻蝕速度恒定，通過控制刻蝕時(shí)間來控制位相深度。位相深度由Taylor-Hobson高精度輪廓臺(tái)階儀檢測(cè)得出。
通過七片位相深度相差小于1％波長(zhǎng)(0.0607μm)的位相板對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6及圖10所示，小于1％波長(zhǎng)位相深度差所引入的波前誤差可以很容易的通過一級(jí)光強(qiáng)與零級(jí)譜點(diǎn)光強(qiáng)的比值I1/I0探測(cè)得出。并且可以明顯看出隨著位相板位相深度誤差的增大，I1/I0比值的變化趨勢(shì)。
采用透鏡離焦方法對(duì)本發(fā)明的高靈敏度波前探測(cè)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，如圖7所示。通過平行光管7的移動(dòng)改變通過位相板10的波前結(jié)構(gòu)；當(dāng)平行光管7工作在焦點(diǎn)上時(shí)，出射為平面波波前8；當(dāng)平行光管7離焦工作時(shí)，出射波前成為偏離平面波的球面波9。通過位相板10調(diào)制的波前有透鏡11匯聚到CCD探測(cè)器14的探測(cè)面上，得到無零點(diǎn)光斑12或偏離平面波時(shí)的光斑13。光源采用HeNe激光器，平行光管7與第二聚焦透鏡11均采用口徑50mm，焦距550mm的膠合透鏡，CCD陣列探測(cè)器14采用MINTRON-MTV-1881CB，消零點(diǎn)位相板10直徑為2mm，采用普通玻璃經(jīng)過光刻制作。離焦之后的波面差可以通過以下方法計(jì)算平行光管7的透過率函數(shù)可表示為，T=exp(-ikx2+y22f)---(10)]]>平行光管7在焦點(diǎn)時(shí)入射點(diǎn)光源波前表示為，E1=Aexp(ikx2+y22f)---(11)]]>平行光管7離焦d時(shí)入射點(diǎn)光源波前表示為，E2=Aexp(ikx2+y22f+d)---(12)]]>平行光管7在焦點(diǎn)時(shí)出射的平面波表示為，E3＝A (13)平行光管7離焦時(shí)出射的球面波表示為， 離焦后會(huì)聚光束球面波的半徑為，
r=11f-1f+d---(15)]]>可以得到波面差，δ=r-r2-a2---(16)]]>其中，a為位相板的半徑。離焦量4mm時(shí)，波面差δ=r-r2-a2=6.56nm,]]>約為1％波長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)中離焦量2mm時(shí)即可測(cè)出波面差。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9、圖11所示，當(dāng)平行光管7的焦點(diǎn)精確地位于濾波小孔5的開孔上時(shí)，此時(shí)平行光管7出射的為無波面差的平行波前，在聚焦透鏡11的焦面上將產(chǎn)生最小的零級(jí)譜點(diǎn)光強(qiáng)分布，聚焦之后的光斑如圖8中12所示；離焦量為4mm、8mm時(shí)產(chǎn)生的聚焦光斑如圖4中13c、13d所示，圖9為這三個(gè)光斑的二維光強(qiáng)分布?？梢钥闯觯哥R離焦使得聚焦光斑的零級(jí)譜點(diǎn)光強(qiáng)增大，一級(jí)衍射環(huán)的光強(qiáng)下降，由I1/I0就可以反映出由于離焦產(chǎn)生的波面差的大小，圖11顯示了不同離焦量時(shí)I1/I0值的變化，可以看出I1/I0值隨離焦量的增大單調(diào)減小。通過透鏡離焦產(chǎn)生的波面差完全可以由這種方法測(cè)量得到，并且靈敏度可以優(yōu)于1％波長(zhǎng)。
通過以上的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，可以看出本發(fā)明能高精度的探測(cè)波前變化。本發(fā)明方法采用不同的位相板可以用于測(cè)量各種波前由于光路變化引起的波面差，探測(cè)器可以測(cè)出實(shí)際波前與理想波前的最大波面差，但不能知道具體的波面差分布。實(shí)驗(yàn)證明測(cè)量靈敏度優(yōu)于1％波長(zhǎng)，并且光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要制作高靈敏度的標(biāo)準(zhǔn)面或標(biāo)準(zhǔn)光束，只需與理論理想波前進(jìn)行比較，波面差計(jì)算不需要復(fù)雜的算法，測(cè)量快速準(zhǔn)確。本發(fā)明作為波前變形探測(cè)的新方法，具有很高的學(xué)術(shù)價(jià)值與應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種光波波前探測(cè)裝置，其特征是在一光軸上依次設(shè)有第一聚焦透鏡(3)，針孔濾波器(5)，平行光管(7)，消零點(diǎn)位相板(10)，第二聚焦透鏡(11)，CCD陣列探測(cè)器(14)，該針孔濾波器(5)的針孔位于第一聚焦透鏡(3)的后焦點(diǎn)和平行光管(7)的前焦點(diǎn)上，該CCD陣列探測(cè)器(14)的光敏面位于第二聚焦透鏡(11)的焦平面上，該CCD陣列探測(cè)器(14)的輸出端與一計(jì)算機(jī)(15)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的波前探測(cè)裝置，其特征在于所述的消零點(diǎn)位相板(10)為
位相分布的環(huán)帶結(jié)構(gòu)位相板，該位相板的歸一化環(huán)帶半徑結(jié)構(gòu)為α1=1/2.]]>
3.用權(quán)利要求書1所述波前探測(cè)裝置進(jìn)行波前探測(cè)的方法，其特征在于包括下列步驟①按照權(quán)利要求1所述建立光波波前探測(cè)裝置；②在第一聚焦透鏡(3)之前沿所述光軸輸入待測(cè)波前(2)；③在計(jì)算機(jī)(15)的顯示屏上觀測(cè)由CCD陣列探測(cè)器(14)所探測(cè)的激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖象；④判斷若零級(jí)譜點(diǎn)光強(qiáng)為零，則待測(cè)波前是完善的，否則待測(cè)波前是不完善的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的波前探測(cè)方法，其特征在于所述的計(jì)算機(jī)(15)對(duì)CCD陣列探測(cè)器(14)所獲取的激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑的零級(jí)譜點(diǎn)光強(qiáng)I0和一級(jí)譜點(diǎn)光強(qiáng)I1進(jìn)行計(jì)算得到I1/I0，其值無窮大，則為理想平面波；其值越小，則波面差越大。
全文摘要
一種光波波前探測(cè)裝置及其探測(cè)方法，其裝置的結(jié)構(gòu)是在一光軸上依次設(shè)有第一聚焦透鏡、針孔濾波器、平行光管、消零點(diǎn)位相板、第二聚焦透鏡和CCD探測(cè)器，該針孔濾波器的針孔位于第一聚焦透鏡的后焦點(diǎn)和平行光管的前焦點(diǎn)上，該CCD探測(cè)器的光敏面位于第二聚焦透鏡的焦平面上，該CCD探測(cè)器的輸出端與一計(jì)算機(jī)相連。所述的消零點(diǎn)位相板為
位相分布的環(huán)帶結(jié)構(gòu)位相板，該位相板的歸一化環(huán)帶半徑結(jié)構(gòu)為α
文檔編號(hào)G02B27/26GK1595078SQ20041002562
公開日2005年3月16日 申請(qǐng)日期2004年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月30日
發(fā)明者周常河, 羅紅心 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所