CN100378442C - 光波波前探测装置及其探测方法 - Google Patents

Abstract

一种光波波前探测装置及其探测方法，其装置的结构是在一光轴上依次设有第一聚焦透镜、针孔滤波器、平行光管、消零点位相板、第二聚焦透镜和CCD探测器，该针孔滤波器的针孔位于第一聚焦透镜的后焦点和平行光管的前焦点上，该CCD探测器的光敏面位于第二聚焦透镜的焦平面上，该CCD探测器的输出端与一计算机相连。所述的消零点位相板为[0，π]位相分布的环带结构位相板，该位相板的归一化环带半径结构为α₁=1/2。本发明能够有效地探测光路中引入的微小位相变化，实验中得到优于1%波长的探测灵敏度，具有很高的学术价值与重要的应用前景。

Description

光波波前探测装置及其探测方法

技术领域

本发明涉及波前探测，特别是一种实际平面波波前与标准平面波波前相比偏离程度的光波波前探测装置及其探测方法。

背景技术

在激光光束质量诊断、自由空间光通讯等，尤其是大孔径激光束的应用场合中，经常需要对激光束的波前进行检测，以判断其是否满足要求，即是否为理想波前。很多场合中要求这类设备的灵敏度优于1％波长；同时要求探测速度快，能实时探测；并且具有较低的成本。波前探测技术已经广泛应用于自适应光学、激光光束质量诊断以及眼科检测等。目前应用比较广泛的高灵敏度波前检测方法主要有哈特曼(Shack-Hartmann)波前传感技术、剪切干涉方法和曲率传感法。

哈特曼波前传感技术应用最广的是经过Shack改进的哈特曼波前传感器，Shack采用微透镜阵列代替原来的子孔径阵列。哈特曼波前传感器利用微透镜阵列将被测波前在焦面上聚焦成子焦斑，子焦斑被透镜成像在CCD接收面上，如果光束的波前出现畸变，子焦斑就会偏离中心，测量各自像的偏移，然后经过A/D转换并经计算机处理得到波前的斜率，由此重构波前的位相与强度分布，见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决于阵列透镜的一致性以及采用光电探测器的象素尺寸，因此测量精度不是很高，不能探测子透镜探测面内具有中心对称的位相偏移。

剪切干涉法测量波前的灵敏度优于1％波长，见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。剪切干涉仪的原理是：被测波前通过特定的分光元件将其分成两部分，并使之产生某种相对位移(横向、径向、旋转、翻转等)，波前之间的相互位移称为剪切，经过剪切的两部分波前产生干涉，通过干涉条纹得到待测波前的位相与强度信息。剪切干涉仪测量精度取决于剪切元件的质量，分析波前变形算法比较复杂。

以上两种方法都可用于实际波前的位相分布的探测，但都存在结构复杂、需要高成本元器件等缺点。例如剪切干涉法，1％波长波前的探测要求所有的光学元件表面误差也要达到同等要求，这对于大口径的光学检测成本极高，几乎难以实现。而哈特曼波前传感技术要得到较高的测量精度，就必须采用象素尺寸更小的CCD探测器，众所周知，CCD探测器的价格随着象素尺寸的减小，成本急剧增高。因此实际中非常需要一种低成本、结构简单可靠，并具有高灵敏度的波前变形探测方法，实现对实际波前与理想波前的微小偏离进行探测，本发明正是基于此用途比较合适的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术不足，提供一种光学波前探测装置和方法，该装置和方法具有结构简单可靠并能高灵敏度地探测波前变形。

本发明的实质是利用衍射光学中的消零点位相板，即利用消零点位相板对入射平面波前的位相分布进行调制，使入射波前经过该位相板调制后的激光远场光斑的零级谱点光强为零，通过测量聚焦光斑零级谱点光强的变化来实现高灵敏度的判断入射波前偏离理想平面波前的波面差。波面差定义为实测波面与理想平面波前的差别。

本发明的技术解决方案如下：

一种光波波前探测装置，其特征是在一光轴上依次设有第一聚焦透镜、针孔滤波器、平行光管、消零点位相板、第二聚焦透镜和CCD阵列探测器，该针孔滤波器的针孔位于第一聚焦透镜的后焦点和平行光管的前焦点上，该CCD阵列探测器的光敏面位于第二聚焦透镜的焦平面上，该CCD阵列探测器的输出端与一计算机相连。

所述的消零点位相板为[0，π]位相分布的环带结构位相板，该位相板归一化后的第1个环带的半径为α₁＝1/。

用本发明光波波前探测装置进行波前探测的方法，包括下列步骤：

①建立上述光波波前探测装置；

②在第一聚焦透镜之前沿所述光轴输入待测波前；

③在计算机的显示屏上观测由CCD阵列探测器所探测的激光远场光斑图象；

④判断：若零级谱点光强为零，则待测波前是完善的，否则待测波前是不完善的。

所述的计算机对CCD阵列探测器所获取的激光远场光斑的零级谱点光强I₀和一级谱点光强I₁进行计算得到I₁/I₀，其值无穷大，则为理想平面波；其值越小，则波面差越大。

本发明优先采用(0，π)结构的二元位相板，原理上也可以采用其它多阶的位相板。位相板制作采用微电子光刻制作工艺，可以保证很高的制作精度。消零点位相板对入射平面波进行调制，使激光远场光斑的中心零级谱点为零。

本发明与在先技术相比具有的优点：

1、结构简单、成本低，只需要一块消零点位相板和普通CCD探测器；

2、波面差不需要复杂的算法就可得到，有利于高速测量；

3、探测灵敏度高，由I₁/I₀值的变化可以探测小于1％波长的位相变化。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，

图中：

图2为实验所用消零点位相板的结构，位相差为π，a为内环半径，b为外环半径，归一化后a＝1/，b＝1。

图3为深度相差小于1％波长时位相板的结构示意图，13e为正好π位相深度时的位相板，13f、13g分别为深度小于和大于π位相1％波长时的结构示意图。

图4为实验中所用消零点位相板实测轮廓图，采用Taylor Hobson高精度台阶轮廓仪进行测量，ΔZ为位相板的深度。制作位相板所用玻璃折射率为1.521(激光波长0.6328μm)，对应的π位相深度为0.607μm。

图5为13e、13f、13g三个位相板得到的消零点光斑灰度图。

图6为对比实验结果图，13e、13f、13g分别为位相深度相差为1％、2％波长的消零点位相板产生的聚焦光斑径向光强分布。

图7为平行光管7移动时波面差计算原理示意图，16为本发明定义的波面差，17为汇聚球面波半径。

图8为实验中由CCD采集得到实际光斑，12为平行光管7未离焦时的消零点光斑，13c、13d分别为平行光管7离焦不同距离后的光斑图。

图9为图8中光斑的径向光强分布曲线图。

图10为不同深度位相板10得到的I₁/I₀实验曲线。

图11为通过平行光管7移动得到的I₁/I₀实验曲线。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明光波波前探测装置一个具体实施例的结构如图1所示，由图可见，本发明光波波前探测装置，其构成是在一光轴上依次设有第一聚焦透镜3，针孔滤波器5，平行光管7，消零点位相板10，第二聚焦透镜11，CCD探测器14，该针孔滤波器5的针孔位于第一聚焦透镜3的后焦点和平行光管7的前焦点上，该CCD探测器14的光敏面位于第二聚焦透镜11的焦平面上，该CCD探测器14的输出端与一计算机15相连。所述的消零点位相板10为[0，π]位相分布的环带结构位相板，该位相板归一化后的第1个环带的半径为α₁＝1/。

用本发明波前探测装置进行波前探测的方法包括下列步骤：

①按照实施例建立光波波前探测装置；

②在第一聚焦透镜3之前沿所述光轴输入待测波前2，该待测波前2既可由同轴设置的激光器1发出的光束2，也可以是直接同轴地输入一待测光束2；

③在计算机15的显示屏上观测由CCD阵列探测器14所探测的激光远场光斑图象；

④判断：若零级谱点光强为零，则待测波前是完善的，否则待测波前是不完善的。

在所述的波前探测方法中，计算机15对CCD阵列探测器14所获取的激光远场光斑的零级谱点光强I₀和一级谱点光强I₁进行计算得到I₁/I₀，然后再进行判断更好，其值无穷大，则为理想平面波；其值越小，则波面差越大。

下面阐述其原理：

激光器1出射的激光束2经第一聚焦透镜3聚焦为光束4，然后由针孔滤波器5进行滤波，滤波后的光束6经过平行光管7形成平行波前8，再经消零点位相板10调制，由第二聚焦透镜11在其焦面上形成入射待测波前的远场分布，即消零级谱点的光斑12，该光斑由CCD阵列探测器14接收，接收的图象数据由计算机15来处理。平行光管7可以沿光轴移动产生一定的离焦量，离焦必然使出射激光的波前发生变化，进而影响聚焦后光斑的零级谱点光强分布；消零点位相板10的制作误差也可以在光路中引入波前变化。由于任意波前的变化均会导致零级谱点光强的上升，因此只要根据零级谱点的光强探测就可以判断出入射波前的误差。如果探测器的零级谱点光强探测不出任何差别，那么就可以认为待测的波前是完善的；CCD阵列探测器探测到极微小的差别，那么就说明待测波前就是不完善的，与理想波前存在一定的波面差。因此就构成了具有极高灵敏度的本发明的光波波前探测装置和方法。

借助于不同结构的位相板可以对激光束波前进行各种变换，平行光束通过环带位相板，图2所示的两环带位相板后的光场分布ψ可以表示为：[Tasso R.M.Sales and G.Michael Morris，Diffractive superresolution elements，J.Opt.Soc.Am.A，14(7)，1997，pp1637]

$\mathrm{\ψ}\left(\mathrm{\η}\right)=\frac{2J_1\left(\mathrm{\η}\right)}{\mathrm{\η}}-[1-\exp \left(i{\mathrm{\φ}}_0\right)]{(-1)}^{N+1}\underset{j=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^j\×{\mathrm{\α}}_j^2\frac{2J_1\left({\mathrm{\α}}_j\mathrm{\η}\right)}{{\mathrm{\α}}_j\mathrm{\η}}---\left(1\right)$

其中：

R为出瞳半径，

ρ为径向坐标，

η为归一化坐标，η＝2πRρ/λz，

z为探测面到光学系统出瞳的距离，

j＝1，2...，N，N为环带数，

α_j为第j个环带的归一化半径，

φ_j为第j个环带的位相。

消零点位相板可以利用公式(1)通过对数值计算得到。对于两环带位相板，即N＝2，当φ₀＝π时，在η＝0位置，取

$\mathrm{\ψ}\left(\mathrm{\η}\right)=\frac{2J_1\left(\mathrm{\η}\right)}{\mathrm{\η}}-[1-\exp \left(\mathrm{i\π}\right)]{(-1)}^3\underset{j=1}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^1\×{\mathrm{\α}}_1^2\frac{2J_1\left({\mathrm{\α}}_1\mathrm{\η}\right)}{{\mathrm{\α}}_1\mathrm{\η}}=0---\left(2\right)$

最后可解出，α₁＝1/，即当位相板归一化后第1个环带的半径为1/时，平行光经过位相板调制后零级谱点光强为零。这就得到了位相调制为π时的消零点位相板。

通过对α₁＝1/结构位相板的进一步计算，可以得到能够应用于波前测量的结果。由(1)式可以得到通过任意位相调制φ₀位相板后光场的零级谱点光强分布I₀(φ₀)：

${\mathrm{\ψ}}_0\left({\mathrm{\φ}}_0\right)=\frac{2J_1\left(\mathrm{\η}\right)}{\mathrm{\η}}-[1-\exp \left(i{\mathrm{\φ}}_0\right)]\×{\mathrm{\α}}_1^2\frac{2J_1\left({\mathrm{\α}}_1\mathrm{\η}\right)}{{\mathrm{\α}}_1\mathrm{\η}}=1-{\mathrm{\α}}_1^2+{\mathrm{\α}}_1^2\cos {\mathrm{\φ}}_0+i{\mathrm{\α}}_1^2\sin {\mathrm{\φ}}_0---\left(3\right)$

$I_0\left({\mathrm{\φ}}_0\right)=\mathrm{\ψ}\left(0\right)\mathrm{\ψ}{\left(0\right)}^{*}=1-2{\mathrm{\α}}_1^2+2{\mathrm{\α}}_1^4+2({\mathrm{\α}}_1^2-{\mathrm{\α}}_1^4)\cos {\mathrm{\φ}}_0={\cos }^2\frac{{\mathrm{\φ}}_0}{2}---\left(4\right)$

由(4)可知，当φ₀＝π时，I₀(φ₀)＝0。如果平行光管7产生无波面差的平行波前，那么由于消零点位相板的作用，在聚焦透镜11的焦平面上，就会产生没有零级光谱点的光强分布，也就是零级谱点的光强为零。φ＝φ₀+δφ时，

$I_0\left(\mathrm{\δ\φ}\right)={\cos }^2\frac{\mathrm{\π}+\mathrm{\δ\φ}}{2}={\sin }^2\frac{\mathrm{\δ\φ}}{2}---\left(5\right)$

可以看出零级谱点光强I₀(δφ)与位相变化δφ的关系。当光路中插入很小的位相变化，就可以在零级谱点光强的变化中体现出来。激光能量不同时，零级谱点的绝对光强I₀能量分布也会不同，因此在实用中不是很方便。因此仅仅测量I₀的强度值不方便做为判断波前是否完美的依据；零级谱点光强为零时，光能主要转移到高级谱点中，特别是一级谱点光强I₁往往是最大的光强级。因此测量I₁/I₀就可以成为非常实用的一个判断波前是否完美的一个参数，同时I₁/I₀的值与待测波面激光能量无关。I₁/I₀中I₀在分母上，当波前为理想波前时，I₁/I₀为无穷大，说明此时灵敏度为无穷大，波前只要产生微小的波面差，I₀就会有一个值，这样从I₁/I₀的变化会很灵敏的表现出来，因此本发明具有很高的灵敏度。在实验中证明利用本发明简单的装置就可以达到优于1％波长的灵敏度。利用消零点位相板的这种性质，可以用来探测波前的微小位相变化。

I₁/I₀的值可以通过进一步的计算得到。由(2)式，令

$\frac{\∂\mathrm{\ψ}}{\∂\mathrm{\η}}=2\frac{J_2\left(\mathrm{\η}\right)}{\mathrm{\η}}-2{{\mathrm{\α}}_1}^3[1-\exp \left(i{\mathrm{\φ}}_0\right)]\frac{J_2\left({\mathrm{\α}}_1\mathrm{\η}\right)}{{\mathrm{\α}}_1\mathrm{\η}}=0---\left(6\right)$

可解出I的极值位置η_j，在其中就可得到第一极大值位置η₁，从而得到I₁的值。

(6)式可利用下面的贝塞耳函数级数近似式得到其解：

$J_n\left(x\right)=\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^m\frac{x^{n+2m}}{2^{n+2m}m!(n+m)!}---\left(7\right)$

取其前四项，代入(6)式就可以得到η₁比较精确的解。

由公式(2)可得出：

$I\left(\mathrm{\η}\right)=\mathrm{\ψ}\left(\mathrm{\η}\right)\mathrm{\ψ}{\left(\mathrm{\η}\right)}^{*}=4{\left[\frac{J_1\left(\mathrm{\η}\right)}{\mathrm{\η}}\right]}^2+4(\cos {\mathrm{\φ}}_0-1)\frac{J_1\left(\mathrm{\η}\right)J_1\left({\mathrm{\α}}_1\mathrm{\η}\right)}{{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\η}}^2}-2(\cos {\mathrm{\φ}}_0-1){\left[\frac{J_1\left({\mathrm{\α}}_1\mathrm{\η}\right)}{{\mathrm{\α}}_1\mathrm{\η}}\right]}^2---\left(8\right)$

利用(8)式，可得一级极大处光强。当光路中插入位相变化δφ时，取α₁＝1/，进而可以计算出I₁/I₀值：

$\frac{I_1}{I_0}=\frac{4{\left[\frac{J_1\left({\mathrm{\η}}_1\right)}{{\mathrm{\η}}_1}\right]}^2+4[(\cos {\mathrm{\φ}}_0+\mathrm{\δ\φ})-1]\frac{J_1\left({\mathrm{\η}}_1\right)J_1\left(\frac{1}{\sqrt{2}}{\mathrm{\η}}_1\right)}{\frac{1}{\sqrt{2}}{{\mathrm{\η}}_1}^2}-2[(\cos {\mathrm{\φ}}_0+\mathrm{\δ\φ})-1]{\left[\frac{J_1\left(\frac{1}{\sqrt{2}}{\mathrm{\η}}_1\right)}{\frac{1}{\sqrt{2}}{\mathrm{\η}}_1}\right]}^2}{{\cos }^2\frac{{\mathrm{\φ}}_0+\mathrm{\δ\φ}}{2}}---\left(9\right)$

这种方法不需要制作标准参考光束或表面，对于不同的理想波前制作出相应的消零点位相板，通过对经消零点位相板调制后聚焦光斑的I₁/I₀值就可以得到波面差值。不同波面差时，I₁/I₀值可由理论计算得出，测出实际的I₁/I₀值，就可得到由于光路中引入位相变化产生的波面差。本发明能够探测出由于位相变化引起的波面差的最大值，但还不能确定波面差的具体分布。

本实施例所用玻璃在0.6328μm波长时折射率为1.521，相应的π位相深度为0.607μm。当位相板深度与理想π位相深度有偏差时，所得的聚焦光斑零级光强与一级光强会产生相应的变化。位相深度偏差越大，零级谱点光强越大，一级谱点光强相应下降，I₁/I₀比值则随着位相深度偏差的增大而减小。

所用位相板采用光刻湿法刻蚀制作。掩模板根据计算所得的位相板尺寸、结构由电子束直写技术制成，利用光刻技术将掩模板图形刻蚀在光刻胶干板上，光刻胶干板为镀145nm或其它合适厚度的玻璃基板；光刻后的干板由显影液刻蚀掉曝过光的部分，以所需图形的形式曝露出铬层，铬层经过去铬液腐蚀；然后利用湿法在玻璃基底上刻蚀出所需的位相深度，湿法腐蚀液为体积比1∶30的HF+NH₄F(40％)溶液；最后去胶去铬后就得到所需的位相板。刻蚀中刻蚀液放在水浴恒温装置中，以保证刻蚀速度恒定，通过控制刻蚀时间来控制位相深度。位相深度由Taylor-Hobson高精度轮廓台阶仪检测得出。

通过七片位相深度相差小于1％波长(0.0607μm)的位相板对比实验，实验结果如图5、图6及图10所示，小于1％波长位相深度差所引入的波前误差可以很容易的通过一级光强与零级谱点光强的比值I₁/I₀探测得出。并且可以明显看出随着位相板位相深度误差的增大，I₁/I₀比值的变化趋势。

采用透镜离焦方法对本发明的高灵敏度波前探测技术进行验证，如图7所示。通过平行光管7的移动改变通过位相板10的波前结构；当平行光管7上作在焦点上时，出射为平面波波前8；当平行光管7离焦工作时，出射波前成为偏离平面波的球面波9。通过位相板10调制的波前有透镜11汇聚到CCD探测器14的探测面上，得到无零点光斑12或偏离平面波时的光斑13。光源采用HeNe激光器，平行光管7与第二聚焦透镜11均采用口径50mm，焦距550mm的胶合透镜，CCD阵列探测器14采用MINTRON-MTV-1881CB，消零点位相板10直径为2mm，采用普通玻璃经过光刻制作。离焦之后的波面差可以通过以下方法计算：

平行光管7的透过率函数可表示为，

$T=\exp (-\mathrm{ik}\frac{x^2+y^2}{2f})---\left(10\right)$

平行光管7在焦点时入射点光源波前表示为，

$E_1=\mathrm{Aexp}\left(\mathrm{ik}\frac{x^2+y^2}{2f}\right)---\left(11\right)$

平行光管7离焦d时入射点光源波前表示为，

$E_2=\mathrm{Aexp}\left(\mathrm{ik}\frac{x^2+y^2}{2f+d}\right)---\left(12\right)$

平行光管7在焦点时出射的平面波表示为，

E₃＝A    (13)

平行光管7离焦时出射的球面波表示为，

离焦后会聚光束球面波的半径为，

$r=\frac{1}{\frac{1}{f}-\frac{1}{f+d}}---\left(15\right)$

可以得到波面差，

$\mathrm{\δ}=r-\sqrt{r^2-a^2}---\left(16\right)$

其中，a为位相板的半径。离焦量4mm时，波面差 $\mathrm{\δ}=r-\sqrt{r^2-a^2}=6.56\mathrm{nm},$ 约为1％波长，实验中离焦量2mm时即可测出波面差。

实验结果如图8、图9、图11所示，当平行光管7的焦点精确地位于滤波小孔5的开孔上时，此时平行光管7出射的为无波面差的平行波前，在聚焦透镜11的焦面上将产生最小的零级谱点光强分布，聚焦之后的光斑如图8中12所示；离焦量为4mm、8mm时产生的聚焦光斑如图4中13c、13d所示，图9为这三个光斑的二维光强分布。可以看出，透镜离焦使得聚焦光斑的零级谱点光强增大，一级衍射环的光强下降，由I₁/I₀就可以反映出由于离焦产生的波面差的大小，图11显示了不同离焦量时I₁/I₀值的变化，可以看出I₁/I₀值随离焦量的增大单调减小。通过透镜离焦产生的波面差完全可以由这种方法测量得到，并且灵敏度可以优于1％波长。

通过以上的两个实验，可以看出本发明能高精度的探测波前变化。本发明方法采用不同的位相板可以用于测量各种波前由于光路变化引起的波面差，探测器可以测出实际波前与理想波前的最大波面差，但不能知道具体的波面差分布。实验证明测量灵敏度优于1％波长，并且光路结构简单，不需要制作高灵敏度的标准面或标准光束，只需与理论理想波前进行比较，波面差计算不需要复杂的算法，测量快速准确。本发明作为波前变形探测的新方法，具有很高的学术价值与应用前景。

Claims (4)

1.一种光波波前探测装置，其特征是在一光轴上依次设有第一聚焦透镜(3)，针孔滤波器(5)，平行光管(7)，消零点位相板(10)，第二聚焦透镜(11)，CCD阵列探测器(14)，该针孔滤波器(5)的针孔位于第一聚焦透镜(3)的后焦点和平行光管(7)的前焦点上，该CCD阵列探测器(14)的光敏面位于第二聚焦透镜(11)的焦平面上，该CCD阵列探测器(14)的输出端与一计算机(15)相连。

2.根据权利要求1所述的波前探测装置，其特征在于所述的消零点位相板(10)为[0，π]位相分布的环带结构位相板，该位相板归一化后的内环半径为α₁＝1/。

3.用权利要求1所述波前探测装置进行波前探测的方法，其特征在于包括下列步骤：

①按照权利要求1所述建立光波波前探测装置；

②在第一聚焦透镜(3)之前沿所述光轴输入待测波前(2)；

③在计算机(15)的显示屏上观测由CCD阵列探测器(14)所探测的激光远场光斑图象；

④判断：若零级谱点光强为零，则待测波前是完善的，否则待测波前是不完善的。

4.根据权利要求3所述的波前探测方法，其特征在于所述的计算机(15)对CCD阵列探测器(14)所获取的激光远场光斑的零级谱点光强I₀和一级谱点光强I进行计算得到I/I₀，其值无穷大，则为理想平面波；其值越小，则波面差越大。

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