CN101140186A - 偏振移相双剪切干涉波面测量仪及其检测方法 - Google Patents

Abstract

一种偏振移相双剪切干涉波面测量仪及其检测方法，该测量仪的构成是沿光束的前进方向依次包括：第一雅敏平行平板、左下楔形光学平板、左上楔形光学平板、右下楔形光学平板、右上楔形光学平板、第二雅敏平行平板、偏振移相器、成像镜组和图像传感器，该图像传感器的输出端接计算机。本发明不仅保持了双剪切干涉波面测量仪的所有特点，而且具有灵敏度高、能精确测量任意对称波面并给出完整波面轮廓等优点。

Description

偏振移相双剪切干涉波面测量仪及其检测方法

技术领域

本发明涉及激光检测，是一种偏振移相双剪切干涉波面测量仪及其检测方法，特别是一种能精确测量任意对称波面并给出完整波面轮廓的高灵敏度双剪切干涉波面测量仪。

背景技术

高准直度的激光束在许多激光应用系统中得到了广泛的应用，如星间激光通讯系统采用高准直度的激光束以数千公里距离进行信号传输，高能激光武器输出高准直度的激光束可以集中能量对目标进行攻击。高准直度的激光束具有很高的波面质量和很小的发散度，通常情况下其波面误差接近衍射极限，约为波长的0.3倍左右。一般的波面传感器是无法对接近衍射极限的激光波面进行精确测量的。在先技术(参见中国发明专利公开号：CN1421680A，公开日2003年6月4日，发明名称：双剪切干涉波面测量仪)所述的双剪切干涉波面测量仪，利用横向剪切干涉和差动测量原理能有效地检测小于一个波长的波面误差，在其信号处理中采用条纹追迹法计算出干涉图中上下两部分干涉条纹的宽度来求解待测波面的最大波高。

在先技术所述的双剪切干涉波面测量仪可以测量波面误差为0.1个波长量级的激光波面，具有结构简单、操作方便、测量口径大等特点。该双剪切干涉波面测量仪是一个等光程干涉系统，能测量短相干长度的激光束，如半导体激光。剪切量连续可调，可以测量不同孔径、不同波高的激光波面。但是该双剪切干涉波面测量仪是将激光波面近似为球面波进行处理来求解激光波面，对于球面波以外的激光波面则难以进行精确测量。同时，波面的求解过程只能给出波面最大的波高，不能给出整个波面的三维形状。由于需要通过手动测量或计算机处理来计算干涉条纹的宽度，干涉条纹的质量对于测量灵敏度有直接的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种偏振移相双剪切干涉波面测量仪及其检测方法。该偏振移相双剪切干涉波面测量仪不仅保持双剪切干涉波面测量仪的所有特点，而且还具有灵敏度高、能精确测量任意对称波面并给出完整波面轮廓等优点。

本发明的技术构思是将移相技术引入在先技术所述的双剪切干涉波面测量仪中形成移相双剪切干涉波面测量仪，将能解决在先技术所述的双剪切干涉波面测量仪的不足。移相技术被公认为是干涉图像自动处理的最好方法和提高干涉测量灵敏度的有效途径，移相干涉仪是通过求解相位后直接获得波面函数，故它可以给出波面的三维形状。，

本发明的技术解决方案如下：

一种偏振移相双剪切干涉波面测量仪，特点在于其构成是沿光束的前进方向依次包括：第一雅敏平行平板、左下楔形光学平板、左上楔形光学平板、右下楔形光学平板、右上楔形光学平板、第二雅敏平行平板、偏振移相器、成像镜组和图像传感器，该图像传感器的输出端接计算机，所述的第二雅敏平行平板与第一雅敏平行平板平行放置，其材料和光学厚度相同，所述的第一雅敏平行平板的入射工作面的分光部位镀有偏振分束薄膜，而另一个工作面的反射部位镀有全反射薄膜，经该第一雅敏平行平板分光后形成两路偏振方向相互垂直的线偏振干涉光束，所述的第二雅敏平行平板的出射工作面的合光部位镀有消偏振分束薄膜，另一个工作面的反射部位镀有全反射薄膜，两路干涉光束经过该第二雅敏平行平板后在其消偏振分束薄膜处进行合光，并且它们的强度相等或者接近相等，所述的左下楔形光学平板、左上楔形光学平板、右下楔形光学平板、右上楔形光学平板的材料、楔角与光学厚度相同，放置在所述的第一雅敏平行平板与第二雅敏平行平板之间，所述的左下楔形光学平板、左上楔形光学平板上下叠放且偏转光束的方向相反，形成一个楔形光学平板组，所述的右下楔形光学平板、右上楔形光学平板上下叠放且偏转光束的方向相反，形成另一个楔形光学平板组，所述左下楔形光学平板和右下楔形光学平板的短边或者长边相接，所述左上楔形光学平板和右上楔形光学平板的长边或者短边相接且与左下楔形光学平板、右下楔形光学平板之间的相接情况相反，所述的两个楔形光学平板组各自透过一路干涉光束，并使透过的干涉光束上下部分的偏转方向相反。

所述的偏振移相器由固定的四分之一波片与可旋转的检偏器组成，或由固定的1/4波片、检偏器和可旋转的半波片组成，所述的偏振移相器置于第二雅敏平行平板的输出端。

所述的成像镜组是将干涉光束缩小成像在所述的图像传感器上，所述的图像传感器将干涉光强信号转换为数字图像信号。

一种利用上述偏振移相双剪切干涉波面测量仪进行波面测量的方法，其特征在于包括下列步骤：

①将检偏器旋转，使其方位角φ分别为0、π/4、π/2、3π/4，即依次移相π/2时，所述的图像传感器将四幅相应的移相干涉图送计算机并存储，计算机分别从该四幅干涉图中选取某同一点的干涉光强分别为L₁，L₂，L₃，L₄；

②利用公式 $\mathrm{\σ}=\arctan \frac{L_4-L_2}{L_1-L_3}$ 计算移相干涉图中该点的相位差σ；

③采用通常的逐点积分法或多项式拟合法，复原出被测波面的三维形貌及波面信息。

本发明显著的优点是提供了一种利用偏振移相器进行移相的双剪切干涉波面测量仪。移相干涉测量技术是利用多幅移相干涉图进行计算来求解干涉图所对应的相位信息，利用相位信息复原出波面函数，被公认为是灵敏度最高且能完整还原波面的干涉测量技术。因此本发明与先前技术相比，具有灵敏度高、能精确测量任意对称波面、可给出完整波面轮廓等优点。

附图说明

图1为本发明的偏振移相双剪切干涉波面测量仪实施例的结构示意图。

图2为本发明中四块楔形光学平板的放置方式图。

图3为本发明装置每步移相π/2时，分别获得的移相干涉图。

具体实施方式

先请参阅图1，图1是本发明所述偏振移相双剪切干涉波面测量仪实施例的结构示意图。如图1所示，本发明偏振移相双剪切干涉波面测量仪由第一雅敏平行平板1、左下楔形光学平板2、左上楔形光学平板3、右下楔形光学平板4、右上楔形光学平板5、第二雅敏平行平板6、四分之一波片7、检偏器8、成像镜组9、CCD图像传感器10和计算机11所组成。

第一雅敏平行平板1与第二雅敏平行平板6的材料、厚度均相同。第一雅敏平行平板1的工作面A为入射工作面，工作面A上镀有偏振分束薄膜，偏振分束薄膜位于工作面A的分光部位，即工作面A的下半部分，在图1中偏振分束薄膜用靠近工作面A下半部分的间断线表示。第一雅敏平行平板1的工作面B的反射部位镀有全反射薄膜，该全反射薄膜在图1中用平行于工作面B的长直线结合垂直于工作面B的短线阵列进行表示。第二雅敏平行平板6的工作面C为出射工作面，工作面C上镀有消偏振分束薄膜，消偏振分束薄膜位于工作面C的合光部位，即工作面C的上半部分，在图1中消偏振分束薄膜用靠近工作面C上半部分的间断线表示。第二雅敏平行平板6的工作面D的反射部位镀有全反射薄膜，该全反射薄膜在图1中用平行于工作面D的长直线结合垂直于工作面D的短线阵列进行表示。

左下楔形光学平板2、左上楔形光学平板3、右下楔形光学平板4、右上楔形光学平板5的材料、楔角与光学厚度均相同，放置在所述的第一雅敏平行平板1与第二雅敏平行平板6之间。四块楔形光学平板的放置方式如图2所示，左下楔形光学平板2和左上楔形光学平板3叠放在一起形成一组，右下楔形光学平板4和右上楔形光学平板5叠放在一起形成另一组，干涉光束I₁和干涉光束I₂分别通过这两组楔形光学平板。左下楔形光学平板2和右下楔形光学平板4的宽边分别朝外放置，彼此偏转光束的方向相反。左上楔形光学平板3和右上楔形光学平板5的宽边分别朝内放置，彼此偏转光束的方向相反。

四分之一波片7与检偏器8构成了偏振移相器。四分之一波片7的快轴方向与第二雅敏平行平板6的入射面成45°角。检偏器8可以在垂直于光束行进方向的平面内连续旋转，旋转过程中其透光轴方向被改变以进行移相。

本发明的工作过程如下：

待测光束以45°入射角入射在第一雅敏平行平板1上，经过工作面A下半部分偏振分束薄膜的分光，形成偏振方向相互垂直的线偏振光，反射光束的偏振方向垂直于入射平面，而透射光束的偏振方向平行于入射平面。反射光束形成了干涉光束I₁，透射光束依次经过第一雅敏平行平板1上工作面B的反射和工作面A的透射后形成了干涉光束I₂。干涉光束I₁和干涉光束I₂的偏振方向相互垂直，在图1中用小圆点与短竖线分别进行标记。干涉光束I₁经过左下楔形平板2和左上楔形平板3后，依次由第二雅敏平行平板6的工作面C下半部分透射、工作面D反射后再由工作面C上半部分的消偏振分光薄膜所透射。干涉光束I₂经过右下楔形平板4和右上楔形平板5后，直接由第二雅敏平行平板6的工作面C上半部分的消偏振分光薄膜所反射，与干涉光束I₁进行合束。合束后的光束经过1/4波片7，将偏振方向相互垂直的线偏光分别变为左旋和右旋圆偏光，出射光束经检偏器8后产生干涉光强。成像镜组9将干涉光强成像在CCD图像传感器10上形成干涉图像。该干涉图像输入计算机11进行采集。通过旋转检偏器8可以获得多幅移相的干涉图，利用计算机11中的移相剪切干涉图像处理软件对移相剪切干涉图像进行处理和分析。

若干涉光束I₁和干涉光束I₂的相位差为σ，检偏器8的透光轴方向与四分之一波片7的快轴方向之间的夹角即方位角表示为φ，则对应的干涉光强可以表示为：

L＝L₀+KL₀cos(σ+2φ)，               (1)

其中：L₀为平均光强，K为干涉条纹对比度。当检偏器旋转使其方位角φ分别为0、π/4、π/2、3π/4，即依次移相π/2时，同一点的干涉光强分别为L₁，L₂，L₃，L₄，相应的示意移相干涉图如图3所示。移相干涉图中对应的干涉光强的相位差σ为：

$\mathrm{\σ}=\arctan \frac{L_4-L_2}{L_1-L_3}---\left(2\right)$

计算机11中的移相剪切干涉图像处理软件，利用公式(1)和公式(2)所述的原理求解干涉图中每一点的相位差，进而可以得到对应的光程差，经过进一步处理与分析复原出待测波面。

利用上述偏振移相双剪切干涉波面测量仪进行波面测量的方法，其特征在于包括下列步骤：

①当检偏器8旋转使其方位角φ分别为0、π/4、π/2、3π/4，即依次移相π/2时，所述的图像传感器10将四幅相应的移相干涉图送计算机11并存储，计算机11分别从该四幅干涉图中选取某同一点的干涉光强分别为L₁，L₂，L₃，L₄；

②利用公式 $\mathrm{\σ}=\arctan \frac{L_4-L_2}{L_1-L_3}$ 计算移相干涉图中该点的相位差σ；

③采用通常的逐点积分法或多项式拟合法复原出被测波面的三维形貌及波面信息。

可见，利用移相技术测量波面无须将激光波面近似为球面波来处理，原理上可以适应于任意高阶函数的波面。但是双剪切干涉利用差动原理来测量波面，精确测量时只能局限于对称波面。故本发明能精确测量任意对称波面并给出完整波面轮廓。检偏器8的角度转动精度很容易可以做到1角分，对应的移相精度约为0.0002π，相对于移相步长π/2来说非常小，因此本发明可以达到很高的灵敏度和测量精度。

下面给出一个最佳实施例的具体参数：

待测波面的口径为φ30mm，激光器波长为800nm。两块雅敏光学平行平板1、6的尺寸为155mm×70mm×40mm，四块楔形光学平板2、3、4、5的厚度为20mm，楔角20″，雅敏光学平行平板和楔形光学平板材料均为K9玻璃。四分之一波片7为石英波片，口径为φ50mm，相位延迟精度为λ/300(λ为800nm)。检偏器8为偏振片，口径为φ50mm，消光比为300∶1。成像镜组9为消色差透镜组，焦距为200mm，口径为φ50mm。CCD图像传感器10的光敏面为4.8mm×3.6mm。

Claims (4)

1.一种偏振移相双剪切干涉波面测量仪，其特征在于其构成是沿光束的前进方向包括：第一雅敏平行平板(1)、左下楔形光学平板(2)、左上楔形光学平板(3)、右下楔形光学平板(4)、右上楔形光学平板(5)、第二雅敏平行平板(6)、偏振移相器、成像镜组(9)和图像传感器(10)，该图像传感器(10)的输出端接计算机(11)，所述的第二雅敏平行平板(6)与第一雅敏平行平板(1)平行放置，其材料和光学厚度相同，所述的第一雅敏平行平板(1)的入射工作面(A)的分光部位镀有偏振分束薄膜，而另一个工作面(B)的反射部位镀有全反射薄膜，经该第一雅敏平行平板(1)分光后形成两路偏振方向相互垂直的线偏振干涉光束，所述的第二雅敏平行平板(6)的出射工作面(C)的合光部位镀有消偏振分束薄膜，另一个工作面(D)的反射部位镀有全反射薄膜，两路干涉光束经过该第二雅敏平行平板(6)后在其消偏振分束薄膜处进行合光，并且它们的强度相等或者接近相等，所述的左下楔形光学平板(2)、左上楔形光学平板(3)、右下楔形光学平板(4)、右上楔形光学平板(5)的材料、楔角与光学厚度相同，放置在所述的第一雅敏平行平板(1)与第二雅敏平行平板(6)之间，所述的左下楔形光学平板(2)、左上楔形光学平板(3)上下叠放且偏转光束的方向相反，形成一个楔形光学平板组，所述的右下楔形光学平板(4)、右上楔形光学平板(5)上下叠放且偏转光束的方向相反，形成另一个楔形光学平板组，所述左下楔形光学平板(2)和右下楔形光学平板(4)的短边或者长边相接，所述左上楔形光学平板(3)和右上楔形光学平板(5)的长边或者短边相接且与左下楔形光学平板(2)、右下楔形光学平板(4)之间的相接情况相反，所述的两个楔形光学平板组各自透过一路干涉光束，并使透过的干涉光束上下部分的偏转方向相反。

2.根据权利要求1所述的偏振移相双剪切干涉波面测量仪，其特征在于所述的偏振移相器由固定的四分之一波片与可旋转的检偏器组成，或由固定的1/4波片、检偏器和可旋转的半波片组成。

3.根据权利要求1所述的偏振移相双剪切干涉波面测量仪，其特征在于所述的成像镜组(9)是将干涉光束缩小成像在所述的图像传感器(10)上，所述的图像传感器将干涉光强信号转换为数字图像信号。

4.一种利用权利要求1至3任一项所述的偏振移相双剪切干涉波面测量仪进行波面测量的方法，其特征在于包括下列步骤：

①将检偏器(8)旋转使其方位角φ分别为0、π/4、π/2、3π/4，即依次移相π/2时，所述的图像传感器(10)将四幅相应的移相干涉图送计算机(11)并存储，计算机(11)分别从该四幅干涉图中选取某同一点的干涉光强分别为L₁，L₂，L₃，L₄；②利用公式 $\mathrm{\σ}=\arctan \frac{L_4-L_2}{L_1-L_3}$ 计算移相干涉图中该点的相位差σ；

③采用通常的逐点积分法或多项式拟合法，复原出被测波面的三维形貌及波面信息。

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