CN101384888B - 通过频差多侧干涉法分析波前的方法 - Google Patents

Abstract

本发明与波前分析方法有关，该方法涉及采用频差的多侧干涉测量法。根据本发明，在待分析的光束的路径上放置具有二维网格的衍射光栅(GR)并且处理至少两种不同颜色的至少两个干涉图，每个干涉图是在一平面(Ps)中从两个具有不同衍射级的子光束(R1，R2)获得的。本发明可用于分析和校正错位波前(S)。

Description

通过频差多侧干涉法分析波前的方法

本发明旨在对光束的波前进行分析。

此类分析使得能够测试光学元件，以及检验光学元件是否合格。它还允许对不可直接测量的物理现象进行研究，诸如在穿越地球大气层时可能遇到的紊动介质以及涌动的静脉(blowing vein)内的光学系数变化等。还可构想诸如计量学及常规或强激光的控制等多种其它应用。

根据本发明对波前的这种分析基于使用位于要分析的光束的路径上的衍射光栅。

为了更好地理解以下内容，该光栅被定义为引入周期相位和强度变化的光学系统。由此任何光栅由两个函数的乘积来表征：一个被称为相位函数，它表示光栅所引入的周期性相位变化；另一个被称为强度函数，它表示光栅所引入的周期性强度变化。

根据法国专利2 712 978，该申请人提示了二维光栅的构造和定义的模式。根据两个方向规则排列的点集合构成一平面网格。这些点定义了元网格。元网格是允许实现平面的无孔铺设的最小表面。元网格的多边形是其各边被将该集合的任意点连接至其最近邻的线段所支持的最小的表面多边形。二维光栅是根据平面网格排列的元模式的自由重复。平面网格可定义元网格，或者是六边形或者是矩形(方形网格仅是后者的特例)。

当用被称为入射光束的光束对衍射光栅进行照射时，经光栅衍射的光束可被描述为该入射光束的副本。这些光束被称为子光束，每一个对应该光栅的一个衍射级。

对由此获得的子射束进行的特定光学处理使得能够观察到由光斑的周期性网格化制成的干涉图(干涉图像)。如果入射波前是平面的，则从子射束的干涉得到的干涉图被称为原始干涉图。如果入射波前不是平面的，则干涉图显示相对于原始干涉图的变形，这被称为变形干涉图。变形干涉图的变形对于波前的增长率是敏感的。

表面S的一点P(x，y，z)上的水平差d_u，d(P)被定义为位于点P的任一侧且沿方向u相隔距离d的两点之间高度z′之差。如在此所使用的，表面沿方向u且在距离d处的水平差则表示从对该表面的所有点P应用该函数d_u，d(P)得到的点集合P’(x，y，z’)。该点集合P’定义了一新表面，标示为S’。

表面S的一点P(x，y，z)处的增长率t_u，d(P)被定义为在该点P处获得的水平差d_u，d(P)除以距离d。表面沿方向u且在距离d处的增长率则表示从对该表面的所有点应用该函数t_u，d(P)得到的点集合P″(x，y，z’/d)。该点集合P″定义了一新表面，标示为S″。当表面S连续并且如果距离d趋向于0，则表面S″趋向于S沿方向u的梯度。找到使连续表面的增长率非常接近该梯度的足够小的距离d是有可能的。在这种情形下，该梯度和增长率得以同化。

在波前的分析领域，将增长率同化为梯度是非常普遍的(D.Malacara，“Optical Shop Testing(光学仪器车间测试)”，Wiley-Interscience，第二版，126-127页)。

为了分析波前，有一种已知的分析器被称为“Shack-Hartmann”分析器，这在1981年AGARD会议论文集No.300 J.C.Wyant的“Phasemeasurements systems for adaptive optics(自适应光学器件的相位测量系统)”中已有描述。主要原理在于将待分析的相位缺陷与微透镜栅格光学共轭。在微透镜焦点的公共平面上，可观察到包括根据波前的增长率变形的光斑光栅的强度图案。基于由微透镜网络衍射为子光束的细分的解释已在2003年Optics Communications中J.Primot的“Theoretical description ofShack-Hartmann wave-front sensor(Shack-Hartmann波前传感器的理论描述)”中得到发展。

所谓的“Shack-Hartmann”波前分析器具有用于彩色光束的优点。

光束的颜色被定义为不同波长的单色辐射以固定比例的混合。单色辐射因此应被考虑为一特定颜色。

这种分析器的光输出接近最大，相反，灵敏度和动态特性仅可通过改变微透镜栅格来控制。

同样已知的还有相位改变型——称为“相移”型波前干涉测量分析器，这在D.Malacara的“Optical Shop Testing(光学仪器车间测试)”，Wiley-Interscience，第二版第14章中已有描述。相移干涉测量技术是在数个臂之一上时间或空间地添加已知相移以从诸多干涉图确定波前的增长率。一般基于Michelson型干涉仪的这种设备是单色的并且只能同时实现单个波长。然而如以上所提及的著作(560页)中所述的，连续使用若干个波长是可能的，从而得到更大测量动态特性的益处并且还除去了光束的强度偏移误差。组合了空间相移干涉仪和双波长测量的系统在欧洲专利1505365中有所描述。

在法国专利申请2712978和2795175中，申请人详细描述了基于衍射光栅并属于错位(shearing)干涉仪系列的三波和四波横向错位干涉仪，错位干涉仪系列不同于相移干涉仪，它是上述著作(D.Malacara的“OpticalShop Testing(光学仪器车间测试)”，Wiley-Interscience，第二版，第4章)中的描述对象。

根据分离成子光束的方法，在三波和四波横向错位干涉仪中，衍射光栅将待分析的光束光学分离成三个(三波横向)或四个(四波横向)子光束。

对由此获得的子光束的特定光学处理使得能够观察到包括光斑的周期网格且对波前的增长率敏感的干涉图。

在申请人的上述两篇专利中提到这种结果取决于梯度，该情形类似于连续波前情形中的增长率。

分析增长率只在能够连续调节动态特性和灵敏度的情况下才能进行。还能够从测量本身开始估计测量误差；最后，得到的干涉图特别适用于基于傅里叶变换的分析技术，通过计算手段使其简单且容易实现。类似于Shack-Hartmann干涉仪，这种干涉仪可用于彩色光束并且它们的光输出较高。

近来，光学器件控制领域中有了新的需要。在辐射测量灵敏度或空间分辨率方面越来越高的要求导致实现通过根据笛卡尔或六边网格而应用较小尺寸的光学元件制成的直径极大的光学器件。这也被称为分段光学器件。一个公知的示例是通过应用36个六边形元件形成的Keck望远镜。这些新的光学系统要求适合的控制手段来允许对整个表面整形，即对不同分段进行准确定位以便让它们全部在单个表面上。

另一方面，光学仪器制造商越来越多地利用所谓的衍射光学组件，其包括不同大小和不同高度的交替平面区域。这样有可能实现类似于诸如透镜和棱镜等传统组件的光学功能，但又具有特定的特性，特别是在色彩学领域。由于它们特定的形状，这些元件要求适合的表征手段。

这两个应用示例的共同点是需要分析分离表面以映射位置和高度转变，从而确定它们的值和/或修改它们、或者简单地检查它们。

以下，表述“分离表面”将被用来表示各表面部分的不连续应用，这些部分可能具有不同大小、各部分之间可能具有空隙并且各部分之间的水平有差异。由于分离表面不连续，增长率操作的所得表面不能同化为梯度。

分段镜——其元分段还未重定位——所反射的、或者诸如以上所定义的衍射元件所传送的平面波前是分离波前。这两个应用示例由此显示了对适于这些新需求的波前开发和分析手段的兴趣。

在寻常使用模式下，所谓的“Shack-Hartmann”波前分析器不允许分析分离波前。

J.C.Chanteloup在文章“Multiple-wave lateral shearing interferometry forwave-front sensing(用于波前感测的多波横向错位干涉仪)”，Appl.Opt.(应用光学)44，1559-1571页(2005)中在实验上报道了三波和四波横向错位干涉仪允许对具有相对于分析波长较小的水平差异的分离表面进行分析。分析水平差异高于分析波长的分离波前给出了水平差异的正确位置，但由于是在最近的波长上给出的，所以它们的高度并未确定。这种限制对于上述应用而言是致命缺陷。

因此，非常需要能够对分离波前进行分析且对于各部分之间的水平差异的幅度没有任何限制的可用分析器。依赖于使用二维衍射光栅的本发明有在这一方面提供改进的目的。

二维衍射光栅使得在观察平面中观察表征待分析的光束的波前的干涉图成为可能。

观察到的干涉图根据本发明被视为各元干涉图的组合。总是能够通过例如傅里叶变换将干涉图细分为一系列元干涉图。

来自光栅的每个子光束沿其衍射级的特定方向传播。然后能够形成子光束对，子光束对的各个子光束具有不同级数。

子光束对的子光束沿衍射级的两个方向传播并在传播过程中偏移。观察平面中的这种偏移被称为横向错位。每个元干涉图源于来自该衍射光栅的在观察平面中沿单个方向具有单个横向错位一组子光束对的干涉。在观察平面中沿单个方向具有单个横向错位的子光束对被称为等偏移对。所有等偏移对的各子光束以单一角度——被称为优先摇摆角——彼此相对摇摆。

元干涉图的强度分布由准直线条纹组成，其在观察平面中的垂直方向被称为优先方向。

如果入射波的波前是平面的，则从子光束的干涉得到的干涉图被称为原始干涉图，而元干涉图即所谓的原始的。从一组等偏移子光束对的干扰得到的每个元干涉图随后显示根据优先方向的纯正弦强度分布，而其周期p取决于优先摇摆角。

如果入射波的波前不是平面的，则干涉图经受变形且被称为变形的干涉图，而元干涉图即所谓的变形的。变形取决于入射波前根据优先方向的增长率以及所有当前子光束对的横向错位。

由于能够使用基于衍射光栅的波前分析器从元干涉图来分析包括分离波前的波前，所以通过在衍射两个级的一维光栅上的待分析入射波前来考虑单色波。

该波被衍射成根据该光栅所衍射的两个级的方向传播的两个子光束。观察到的干涉图是从这两个副本在光栅的给定距离处的干涉得到的。

如果该入射波具有水平差为高度h的两个部分的波前，则该变形元干涉图的强度分布与原始元干涉图为同一类型，但是有两个约束增长率区域的不连续，并且在它们之间，原始正弦曲线的片段已在空间上发生平移。

根据在观察距离处的研究，该片段的宽度等于该对的两个子光束之间的横向错位。强度分布相对于原始元干涉图的强度分布的空间平移偏移s_i通过以下关系与该正弦曲线的周期p、与分析波长λ_i以及水平差的高度h相关联：

因此s_i的值介于0与p之间。这一关系显示波前的水平差的单色分析的动态特性限于分析波长。波前的水平差的动态特性被定义为在该水平差的最大值与最小值之间的偏离。特别地，对仅有相隔高于λ_i的高度h的两个分段的波前的水平差的分析给出了一模糊结果，因为其在最接近的λ_i上：

$h=\frac{{\mathrm{\λ}}_i{s}_i}{p},\mathrm{mod}\left({\mathrm{\λ}}_i\right)---\left(1b\right)$

如果考虑针对两个波长λ₁和λ₂(其中λ₂更高)获得的两次测量，可将该波前变形的两个干涉图一起处理。为此，第一变形元干涉图的强度分布与第二变形元干涉图的强度分布之间的平移偏移s通过下式测量和定义：

$s=s_1-s_2=\mathrm{hp}(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2})---\left(2\right)$

其中s₁和s₂是正弦强度分布在两个波长λ₁上λ₂的平移偏移。

然后分析动态特性高于λ_i的波前的水平差以及根据需要在能够适应地调整的更重要的测量范围上明确地定义它们变成可能。实际上，通过式(1)的类推，用下式能够明确地测量动态特性低于λ_eq的水平差：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{eq}}=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}}---\left(3\right)$

由于波前的增长率与水平差成比例，当将λ₂选择成充分接近λ₁时，因此不论它们的幅度如何，测量增长率都变成可能。

这种方法可推广到多对子光束和任意分离的波前，推广到两个以上的部分且各部分之间具有不同高度，只要水平差的动态特性低于λ_eq。

因此，入射波前的增长率可根据一组等偏移子光束对的优先方向和横向错位来获得。

随后可执行基于这些增长率的重新组合的处理以重建原始波前。

已用单色光束对本发明进行了描述。该描述并非限制性的，而是可以推广至具有两种不同颜色的光束。

还能够实现两种以上的颜色，以便获得适于不同增长率幅度的幅度动态特性和灵敏度。

本发明的目的因此是提供用于分析光束的波前的方法，其中

a)具有二维网格的衍射光栅(GR)被置于该光束的路径上的一个平面(P_c)中，以使得该光束由于至少两个不同的衍射级而被衍射成不同的子光束；

b)在平行于该光栅(GR)的平面(P_C)的平面(P_s)中创建和观察到由至少一对等偏移子光束的干扰形成的至少两个干涉图，每个干涉图由不同的颜色实现；

c}处理不同颜色的至少两个干涉图以便从它们导出至少一个增长率从而分析波前。

由该入射波前的增长率变形的干涉图可被视为对原始干涉图的相位调制操作的结果。然后可执行解调处理以得到增长率。

有可能基于电信领域而解释这种调制和解调操作。

在电信领域，相位调制是传送信息(或者调制信号)非常常见的方法。载波信号通过相位调制操作经历与调制信号相关联的变形。将要传送的该新信号被称为已调信号。为了得到该调制信号，传统解调技术包括考虑调已调信号的瞬时相位并将其与参考信号——在该情形下为载波信号的瞬时相位相比较。

如果入射波的波前是平面的，则两个原始元干涉图显示根据优先方向的完全正弦调制，每一原始元干涉图是从具有一组两种不同颜色的等偏移子光束对的干涉得到的。解调的结果是显示不存在瞬时相位变化从而显示该波前的平面性的恒定信号。

随后在单独考虑子光束对的情况下，执行与电信的类比，特别是在使用正弦信号的情况下。对应于该对和给定颜色的元干涉图可被视为载波信号。对应于相同的对、但具有另一颜色的元干涉图可被视为待解调的已调信号。根据所研究的该对的优先方向和横向错位，增长率则是所寻找的调制信号。这里发生在空间域的解调操作随后包括考虑具有一种颜色的元干涉图的本地相位并随后将其与具有另一颜色的元干涉图的本地相位相比较。

有多少组等偏移子光束对，就可发生多少次这种空间解调操作。因此，入射波前的增长率可根据每组等偏移子光束对的优先方向和横向错位来获得。因此，所获得的不同增长率可加以组合以重建入射波前。

有利地，可考虑由至少一对两个等偏移子光束的干扰形成的至少两个干涉图显示调制，以及对所述至少两个干涉图的处理是在将另一干涉图考虑为参考调制的情况下对一个干涉图的解调以便导出至少一个增长率。

对干涉图的处理还可包括通过计算光斑的重心的位置或者通过对它们的最大值的位置的本地测量来计算这两个干涉图之间的平移偏移之差。

在处理过程中，获得至少两个不同特定方向上的增长率并将它们相组合以重建波前。

根据一备选方案，该二维衍射光栅(GR)允许提取三个子光束，对其在远场中的观测形成根据等腰三角形定位的三个斑点，由此定义三个优先方向以便重建该波前并从测量本身来估计该测量的误差。

在另一备选方案中，光栅(GR)允许提取四个子光束，对其在远场中的观察形成根据矩形定位的四个斑点。

观察平面(P_s)全部混在一个公共观察平面中和/或该公共观察平面(P_s)与待分析的分离波前光学共轭是合乎需要的。

图1示出了对具有两个部分的分离波前S的测量的一般性原理，其强调了与干涉图上的增长率相关联的区域；

图2是图1的干涉图根据与平面表面重叠的优先方向II的截面图；

图3示出了图1上的干涉图根据具有两种不同颜色的优先方向的两个截面图的重叠；

图4示出了本发明对分段光学器件的应用的示例性实施例；

图5示出了本发明对光纤激光器的应用的示例性实施例；

图6是允许实现本发明以控制分段望远镜的反射镜的器件的光学原理图解；以及

图7示出了对具有多个高度偏移的分离波前获得的分析结果。

在图1上，为了尽可能简单地示出本发明，根据轴X传播的波长为λ_i的入射光束有波前S，其两个部分的水平差为高度h。二维光栅GR被置于较优地垂直于轴X的平面P_c中。

仍出于简化的角度，仅考虑了一个子光束对。子光束根据对应于衍射的两个不同级的两个特定方向R1和R2上传播，从而在其间形成优先摇摆角α_i＝＝λ_i/pGR＝λ_i/(2p)并在观察平面P_s(P_si)中定义了横向错位

平面P_s(P_si)平行于平面P_c并因此较佳地地垂直于轴X。

因此，在平面P_s(P_si)中观察到的干涉图是包括垂直于被称为优先方向的方向Y的准直线条纹的元干涉图。

由于该入射波的波前(S)并非平面，所以干涉图经历了变形，进而导致远离该横向错位(D_i)的两个不连续并限制了增长率(h/D_i)的区域。

图2示出了单一波长λ_i的两个元干涉图的强度分布沿优先方向的重叠。

以实线表示的第一个是对应于具有平面波前的入射光束的元干涉图。强度分布是沿优先方向具有周期p的纯正弦。

以虚线表示的第二个是对应于图1的入射光束的元干涉图。呈现了图1干涉图上的三个可见区域。

在位于增长率区域任一侧的两个区域(Y＜-D_i/2或Y＞D_i/2)中，强度分布重叠。这显示了增长率操作的结果。在横向错位的任一侧，该操作的结果为空，因为所分析的波前或是完全为平面或是在水平差的任一侧为平面。

相反，在中心区域D(-D_i/2≤Y≤D_i/2)中，从分离波前得到的干涉图的强度分布具有导致空间平移(s_i)的偏移(2πp/s_i)。

在不连续的水平上，似乎出现了与电信中波前在相位调制技术中所遇到的相类似的突发相位跳变。在该区域D(-D_i/2≤Y≤D_i/2)中，如图2底部的曲线所指示的，增长率操作的结果不为空。

该区域的增长率值等于h/D(h/D_i)。该值(h/D_i)与具有以下值的空间平移s_i(准确地讲是s_i/D_i)成比例：

这一关系示出，波前水平差的单色分析的动态特性限于分析波长。

特别地，分析仅有相隔高于λ_i的高度h的两个分段的波前的水平差给出了一模糊结果，因为其在最接近的λ_i上：

$h=\frac{{\mathrm{\λ}}_i{s}_i}{p},\mathrm{mod}\left({\mathrm{\λ}}_i\right)$

为了相当地增加这一模糊长度的值，在本发明中预期执行双测量。该双测量仅仅是通过更改两次测量之间的入射辐射的频率来执行，而其它测量条件保持不变。

图3示出了在两个波长λ₁和λ₂下用图1上的分离波前获得的两个元干涉图沿优先方向的强度分布重叠。

在位于增长率区域任一侧的两个区域中，强度分布图重叠。如先前一样，这示出了增长率操作的结果。

每个增长率区域的定域取决于传播方向R1和R2以及这些方向可能相关于入射光束的波长，因此横向错位区域不一定相同，然而它们定义了具有横向错位的公共中心区域。

在横向错位区域的任一侧，增长率操作的结果为空，因为待分析的波前在水平差的任一侧都为平面。

相反，在各错位的公共中心区域(-D/2≤Y≤D/2)，从分离波前获得的干涉图的强度分布具有由于空间平移s₁和s₂所引起的相对空间平移s。

该相对空间平移s是从对应这两个波长的空间平移之差导出的。空间平移s具有以下值：

$s=s_1-s_2=\mathrm{hp}(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2})$

然后，分析动态特性高于λ_i的波前的水平差以及根据需要在能够适应地调整的更重要测量范围上明确地定义它们成为可能。实际上，通过式(1)的类推，用下式能够明确地测量动态特性低于λ_eq的水平差：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{eq}}=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}}---\left(3\right)$

由于波前(S(Y))的增长率(ΔS(Y)＝h/D＝(s/(p D)/(1/λ₁-1/λ₂)＝sλ_eq/(pD))与水平差(h)成比例，当将λ₂选择成充分接近λ₁时，因此不论它们的幅度如何，都有可能测量增长率(如果(λ₁-λ₂)接近于O，则λ_eq很高，且h/D＝sλ_eq/(pD)也很高)。

换句话说：

对于Y＜-D/2或Y＞D/2，ΔS(Y)＝0

对于-D/2≤Y≤D/2，ΔS(Y)＝h/D

然后，水平差h以及分离波前S沿着轴Y的两个部分之间的转换位置可以被恢复：对于Y＜-D/2，S(Y)＝0

对于-D/2≤Y≤D/2，S(Y)＝(h/D)Y+h/2

对于Y＞D/2，S(Y)＝h

所教导的应用于元干涉图的这一方法可被推广和应用于在更加现实条件下获得的干涉图。

该方法可推广至多个子光束对，只要该组子光束对在观察平面中具有根据单一方向的横向错位。这些子光束对被称为等偏移对。

该方法可被推广至多组等偏移对，每组的优先方向是不同的。

类似地，推广该方法可涉及可能具有两个以上的部分——各部分之间具有不同高度的水平差——的分离波前的本质，只要水平差的动态特性低于λ_eq。入射辐射可以是具有不同波长的单色辐射以固定比率的混合。用于测量的颜色数目可以高于两种以便获取适用于不同增长率幅度的幅度动态特性和灵敏度。

因此，在所要求的条件下产生了本发明的方法所必需的至少两个干涉图之后，最好在最后一步处理它们以分析波前。

在法国专利2 682 761中，申请人提供了分析所得干涉图像以获取波前梯度的技术。该技术可直接应用于根据本发明的变形干涉图。

该技术是基于对通过傅里叶变换获得的该干涉图的频谱的分析。该频谱包括基波和由q(i)指定的一定数目的谐波。每对谐波都是从一组等偏移子光束对的干涉得到的。谐波包含关于该波前沿已产生该主题谐波的等偏移对的优先方向和横向错位的增长率的信息。谐波q(i)的傅里叶变换给出了由f(i)指定的复数量。然后对f(i)应用称为复原处理的处理以获得增长率。

在文章“Three-wave lateral shearing interferometer(三波横向错位干涉仪)”(J.Primot，Applied Optics(应用光学)，32卷，31期，1993年11月1日)中，建议通过记录在不存在待分析的波前缺陷情况下获得的参考干涉图来考虑安装像差。然后从该第二干涉图计算出谐波信号q’(i)。为了在无安装像差情况下获得沿第I组等偏移对的优先方向和横向错位的增长率，对乘以了f’(i)的共轭量的f(i)应用复原处理，其中f’(i)是q’(i)的傅里叶变换。这一方法因而允许相对于参考测量来测量波前。

为了获得等于λ_eq的水平差的动态特性，可使用类似于适于扣除安装像差以λ₂获得的干涉图作为参考来分析以λ₁获得的干涉图。在该情形下，在没有待分析的缺陷情况下获得的干涉图被以λ₂获得的干涉图替代。随后在该复原处理结束时获得的量是最接近λ_eq/D的增长率，其中D是横向错位的公共中心区域的大小。

也可对干涉图应用其它处理。

例如，研究以λ₁和λ₂获得的两个干涉图得到两个模糊的波前，因为水平差的动态特性分别限于λ₁和λ₂。通过诸如由M.

和H.Eriksson在2000年SPIE论文集的“Resolving Piston ambiguities when phasing asegmented mirror(在定相分段反射镜时解析活塞不确定性)”中提出的一种比较算法，有可能克服该局限从而获得增大至λ_eq的动态特性。

该技术可在待研究的波前仅有平面分段情况下应用。在该情形下，仅对一个分段点应用该算法已足够，这比对波前进行全面处理要更快。

或者仍通过类比，在电信领域，相位调制是传送信息(或者调制信号)非常常见的方法。载波信号通过相位调制操作经历与调制信号相关联的变形。将传送的该新信号被称为调制信号。为了找到该调制信号，传统解调技术包括考虑调已调信号的瞬时相位并将其与参考信号——在该情形下为载波信号的瞬时相位相比较。

如果入射波的波前是平面的，则两个原始元干涉图——每一个是从具有一组两种不同颜色的等偏移子光束对的干涉得到的——显示沿优先方向的纯正弦调制。解调的结果是显示不存在瞬时相位变化从而显示该波前的平面性的恒定信号。

随后可单独考虑子光束对来执行与电信的类比——特别是在使用正弦信号的情况下。对应于该给定对和颜色的元干涉图可被视为载波信号。对应于相同对、但具有另一颜色的元干涉图可被视为待解调的已调信号。根据所研究的该对的优先方向和横向错位的增长率则是所寻找的调制信号。这里发生在空间域的解调操作随后包括考虑具有一种颜色的元干涉图的本地相位并随后将其与具有另一颜色的元干涉图的本地相位相比较。

有多少组等偏移子光束对，就可发生多少次这种空间解调操作。因此，入射波前的增长率可根据每组等偏移子光束对的优先方向和横向错位来获得。因此，所获得的不同增长率可加以组合以重建入射波前。

有利地，可考虑由至少一对两个等偏移子光束的干扰形成的至少两个干涉图显示调制以及对所述至少两个干涉图的处理是将另一干涉图考虑为参考调制而对一个干涉图的解调以便导出至少一个增长率。

为了完全利用该方法的优势并直接重建出待分析的波前，优选地在处理过程中在至少两个不同优先方向上获得增长率并将它们相组合。

根据一备选方案，依照来自法国专利2 682 761的教导，该二维衍射光栅(GR)允许提取三个子光束，对其在远场中的观测形成根据等腰三角形定位的三个斑点，由此定义三个优先方向以便重建该波前并从测量本身来估计该测量的误差。

在另一备选方案中，光栅(GR)允许提取四个子光束，对其在远场中的观察形成根据矩形定位的四个斑点。

在具有连续变形的波前的情况下，法国专利2 682 761中示出，器件的动态特性和灵敏度随距离z而变化，特别地，如果平面P_C与平面P_S相混，则灵敏度为零。

相反，在分离波前的转换的情况下，用横向错位加权的增长率的高度独立于距离z，器件的动态特性和灵敏度由此恒定，而不论z是否为零。

因此希望观察各平面(P_s)全部混在一个公共观察平面中。

图4、5和6中示出和进一步解释了一些应用示例。

图4示出了用于实现本方法的示例性器件。光源So被布置在对穿过待分析的蚀刻基板的光束进行整形的整形光学器件O₁的上游。光源So能够提供至少两种不同颜色。例如该源是与滤光器相关联的激光源或多色源。在穿过基板su之后，该光束穿过远焦器件O₂和O₄。该器件的功能包括一方面针对置于平面P_C中的二维光栅的尺寸来适应性地调整在平面P_D中进行分析的光束的直径，另一方面将待分析的缺陷优选所处的平面P_D与平面P_S光学共轭。该观察是在平面P_S中执行的。

平面P_C被置于平面P_S的非零距离z处。

如果待分析的缺陷所处的平面P_D的共轭平面并不严格与平面P_S共轭，则该分析仍是可能的，但这是一种退化模式，因为观察到的干涉图不再仅因增长率而变形。

因此希望公共观察平面(P_s)与待分析的分离波前光学共轭。

一些功率激光器是通过光纤激光器的相干重组制成的，但实现这种重组是较为困难的。如图5所示的建议方案包括应用每个光纤激光器的准直光束以重建仅一个光束。对于要存在一致重组而言，要求确保所有应用的光束具有类似的相位状态。本发明允许定义光纤之间的偏移F_i和表面S的相对相位状态，这些偏移然后能够用例如声光手段来补偿。

在图6中，望远镜正在观察诸如恒星等生成平面波前的遥远发光体。这里所示的该望远镜包括两个镜子：主镜(MP)和副镜(MS)。主镜这里包括被精确定位从而落在同一表面上的若干个分段。主镜采集到的光经由副镜提供给半反射叶片(LS)。因此，透过LS的部分光被提供给望远镜的成像部分(PI)以构建观察到的发光体的图像。被LS反射的光的第二部分被发送至将发散光束变换成平行光束的透镜O₄。在分析平面P_C中，放置了衍射光栅(GR)。通过透镜O₄在位于镜MP表面的共轭平面中的平面P_S上进行观察，因此允许对镜MP分段的位置进行分析。

如果该平面波前由于穿过紊动介质而变形，则待测量的该波前包括一方面从该变形获得的波前与另一方面从分段镜MP得到的波前之间的重叠。

图7是在例如从具有36个分段的Kech型分段主镜得到的分段波前上获得的结果的一个示例。

Claims (8)

1.一种用于分析光束的波前的方法，其中

a)将具有二维网格的衍射光栅(GR)置于所述光束的路径上的一个平面(P_c)中，以使得所述光束由于衍射级而被衍射成至少不同的子光束(R1，R2)；

b)用具有所述波前且彼此颜色不同的两个光束连续地照射所述衍射光栅，以在平行于所述光栅(GR)的所述平面的观察平面(P_s)中观察由至少两个子光束(R1，R2)的干涉形成的至少两个干涉图；

c)导出两个干涉图之间的相对空间平移(s)；

d)导出取决于所述相对空间平移的至少一个增长率从而分析所述波前。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在b)所述干涉图被视为调制操作的结果，它包括在所述操作d)解调所述两个干涉图中的至少一个以导出被视为调制干涉图的所述至少一个增长率，所述两个干涉图中的所述至少一个被视为另一个干涉图的调制所导致的干涉图。

3.如先前权利要求之一所述的方法，其特征在于，在所述操作d)增长率是在所述衍射光栅(GR)的两个不同衍射级所对应的至少两个不同方向(R1，R2)上导出的并且被组合以重建所述波前。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在操作a)所述光栅(GR)允许提取三个子光束，对其在远场中的观察形成根据等腰三角形定位的三个斑点。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在操作a)所述光栅(GR)允许提取四个子光束，对其在远场中的观察形成根据矩形定位的四个斑点。

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在操作b)所述观察平面(P_s)全部混在一个公共观察平面中。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述操作b)所述公共观察平面与待分析的波前光学共轭。

8.一种如先前权利要求之一的方法分析分离波前的用途。

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