CN103983366B - 斜入射反射型点衍射板及其干涉测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斜入射反射型点衍射板及其干涉测量方法。该点衍射板的基底采用折射率均匀的光学玻璃，且该光学玻璃为平行平板结构；所述基底的入射面上部镀有增透膜、下部镀有介质膜，基底的反射面上部镀有高反膜、下部镀有增透膜；所述入射面下部的介质膜内设有一个椭圆孔；所述基底反射面上部的高反膜在入射面上的投影与入射面下部的介质膜部分重叠，使反射面上部的高反膜只将入射光反射一次。干涉测量方法为：(1)调整点衍射板的位置，(2)用探测器采集载频干涉图，(3)对干涉图进行傅里叶变换处理恢复波前相位，(4)对恢复的相位进行Zernike拟合，(5)系统误差标定。本发明对激光瞬态波前检测的精度高、成本低，且测试过程简单方便。

Description

斜入射反射型点衍射板及其干涉测量方法

技术领域

本发明属于光干涉计量技术领域，特别是一种斜入射反射型点衍射板及其干涉测量方法。

背景技术

瞬态激光波前检测在激光核聚变、天文观测、现代医学技术中发挥了巨大的作用，如何测量瞬态波前以及提高波前测量精度一直是学术界的热点问题。目前主要采用干涉仪测量激光瞬态波前，所不同的是干涉测量的手段不同。同步移项点衍射干涉是较常用的一种干涉测量方法，测量过程为：将激光通过会聚透镜聚焦到偏振式点衍射板上，一部分光通过极小孔径衍射形成近乎理想的球面波作为测试基准波前，另一部分光直接透过点衍射板作为测试光，点衍射板出射的一对相干光束由二维正交光栅衍射，经空间滤波器形成四对相同的相干光束，利用四分之一波片与偏振片阵列组件对上述相干光束同步移相，形成四幅位相依次相差π/2的移相干涉图，通过相应的移向算法即可得到瞬态波前。该方法摆脱了参考面精度的限制，能够达到极高的检测精度，但是偏振式点衍射板的制作极为困难，系统结构复杂，导致该方法成本过高，不能得到普遍应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精度高、成本低的斜入射反射型点衍射板及其干涉测量方法，测试过程简单方便且易于实现。

实现本发明目的技术解决方案为：一种斜入射反射型点衍射板，该点衍射板的基底采用折射率均匀的光学玻璃，且该光学玻璃为厚度为h的平行平板结构；所述基底的入射面上部镀有透过率为t₁的增透膜、下部镀有透过率为r₁的介质膜，基底的反射面上部镀有反射率为r₂的高反膜、下部镀有透过率为t₂的增透膜；所述入射面下部的介质膜内设有一个椭圆孔，该椭圆孔的中心到入射面上部增透膜的距离为d；所述基底反射面上部的高反膜在入射面上的投影与入射面下部的介质膜部分重叠，使反射面上部的高反膜只将入射光反射一次。

一种基于斜入射反射型点衍射板的干涉测量方法，采用上述的斜入射反射型点衍射板进行干涉测量，步骤如下：

(1)调整点衍射板的位置，使会聚光束焦面位于点衍射板的入射面与反射面之间，调整点衍射板入射面法线与会聚光束光轴之间的夹角为θ，使得会聚光束经反射面上半部分的高反膜进行反射，并且产生的反射光能够经过椭圆孔衍射，同时由入射面下半部分的介质膜产生的反射光能够经过反射面下半部分的增透膜透射出去；

(2)用探测器采集载频干涉图，通过成像透镜将光束出瞳处的波前干涉图成像到探测器靶面，得到包含横向错位与纵向错位的球面波叠加的载频干涉图；

(3)利用干涉图恢复波前相位，对干涉图进行傅里叶变换，取+1或-1级旁瓣然后进行傅里叶逆变换即可恢复波前相位；

(4)采用Zernike拟合方法对步骤(3)所得的波前相位进行波面拟合，消除波面边缘的吉布斯效应并得到波面包含的像差信息；

(5)计算两个错位标准球面波的干涉光程差，得到消去倾斜与离焦后的波面误差即系统误差，通过载频干涉图中的线性载频数L与系统误差之间的关系标定系统误差。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)点衍射板选用玻璃平板作为基底，易于获得；(2)基底上所镀膜层为普通的增透膜与高反膜，成本低，镀制精度高；(3)高反膜上小孔为普通侵蚀小孔，易于制作；(4)干涉测量光路简单，结构紧凑，无需参考镜，测试结果精度高；(5)测试过程简单，调整方便，对环境的要求较低，使测试更容易实现。

附图说明

图1是本发明斜入射反射型点衍射板的结构示意图，其中(a)为衍射板入射面的主视图，(b)为图(a)中沿A-A’的剖视图，(c)为小孔局部放大图。

图2是本发明会聚物镜标定光路示意图。

图3是本发明激光瞬态波前检测光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1，本发明斜入射反射型点衍射板，该点衍射板的基底采用折射率均匀的光学玻璃，且该光学玻璃为厚度为h的平行平板结构，其中h如下式所示：

其中，N为探测器横向像素数，λ为入射光的中心波长，F为会聚光束的F数，n为点衍射板基底的折射率，θ为点衍射板的工作角度，即会聚光束的光轴与点衍射板入射面法线的夹角。

如图1(a)、(b)所示，基底的入射面上部镀有透过率为t₁≥50％的增透膜、下部镀有透过率为r₁≤0.1％的介质膜，基底的反射面上部镀有反射率为r₂≥90％的高反膜、下部镀有透过率为t₂≥90％的增透膜，其中t₁的大小取决于点衍射板上小孔的短轴长，目的在于使经前表面反射的参考光与经小孔衍射的参考光能量接近，以形成对比度较好的干涉图，r₁的大小尽量接近于0，目的在于只让反射光从椭圆孔透出，t₁、r₂的大小尽量接近100％。

如图1(c)所示，所述入射面下半部分的介质膜内设有一个椭圆孔，其长轴与短轴之比为且椭圆孔的短轴长b满足下式：

b<1.22λF。

该椭圆孔的中心到入射面上半部分增透膜的距离d满足下式：

结合图1(b)，基底反射面上部的高反膜在入射面上的投影与入射面下部的介质膜部分重叠，目的在于使反射面上半部分的高反膜只将入射光反射一次，与小孔中心平齐处是一个可选择的位置。

本发明基于斜入射反射型点衍射板的干涉测量方法，采用上述的斜入射反射型点衍射板进行干涉测量，步骤如下：

(1)调整点衍射板的位置，使会聚光束焦面位于点衍射板的入射面与反射面之间，特别的，若使会聚光束焦点位于小孔中心处，将能使经小孔衍射的理想球面波获得最大的光强，调整点衍射板入射面法线与会聚光束光轴之间的夹角为θ，使得会聚光束经反射面上半部分的高反膜进行反射，并且产生的反射光能够经过椭圆孔衍射，同时由入射面下半部分的介质膜产生的反射光能够经过反射面下半部分的增透膜透射出去；

(2)用探测器采集载频干涉图，通过成像透镜将光束出瞳处的波前干涉图成像到探测器靶面。由于点衍射板的作用，探测器得到的将是包含横向与纵向错位的球面波叠加的载频干涉图，其中横向错位距离为△x，如下式所示：

对应载频干涉图中的线性载频数为L，如下式所示：

纵向错位距离为△y，如下式所示：

其中，h_d为会聚光束的焦点到椭圆孔中心所在法线的距离，对应载频干涉图中引入的圆载频数为C：

(3)利用干涉图恢复波前相位，由于干涉图包含大量的线性载频，对其进行傅里叶变换，取+1或-1级旁瓣，然后逆变换，再对虚部与实部之比取反正切即可得到未解包裹的相位，通过相应的波面解包算法即可恢复波前相位。

(4)采用Zernike拟合方法对步骤(3)所得的波前相位进行波面拟合，由于采用傅里叶方法恢复的相位，在边缘处会产生吉布斯效应，通过Zernike拟合波面，可以较好的将其消除，同时得到波面包含的像差信息。除此之外，还可以通过舍去边缘处的波面信息消除吉布斯效应。

(5)计算两个错位标准球面波的干涉光程差，得到消去倾斜与离焦后的波面误差即系统误差，通过载频干涉图中的线性载频数L与系统误差之间的关系标定系统误差。具体如下：

(5.1)计算两个错位标准球面波的干涉光程差，得到消去倾斜与离焦后的波面误差即系统误差，两个错位标准球面波的干涉光程差为W(x,y)：

其中(x,y)为归一化坐标，式中为线性载频项，为圆载频项，为误差项，C'为常数项，从中可以发现系统误差表现为慧差：

其中单位为λ；

(5.2)通过载频干涉图中的线性载频数L与系统误差之间的关系标定系统误差，其中载频干涉图中的线性载频数L与系统误差之间的关系为：

由于横向位置偏差造成的线性载频数远大于待测波面所携带的线性载频数，故可以通过干涉图的载频条纹数将引入的系统误差消除。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

采用本发明斜入射反射型点衍射板测量大口径激光瞬态波前包括以下步骤：

步骤1：首先对会聚物镜进行标定。将各仪器按照图2所示安装，将点衍射板相对光轴倾斜45°放置于会聚光束焦面附近，即会聚光束的光轴与点衍射板入射面法线的夹角θ为45°。调整成像透镜使得探测器与物镜出瞳共轭，使用Zygo的标准平行光源作为光源，其波长为λ，然后进一步调整点衍射板位置使得探测器上接收到的干涉图的对比度较好。

步骤2：用探测器采集载频干涉图。

步骤3：对采集到的干涉图进行傅里叶变换，取+1或-1级旁瓣，然后逆变换，再对虚部与实部之比取反正切得到未解包裹的相位，通过相应的波面解包算法恢复出波前相位。

步骤4：用Zernike多项式拟合恢复的波面，并从干涉图中计算出载频条纹数，在拟合系数中减去载频条纹数对应的慧差系数，这样就获得了会聚物镜的透射波前，同时也标定了其透射误差。

步骤5：如图3所示，将Zygo光源换成待测激光光源，重复步骤2到步骤4，即可得到激光通过会聚物镜后的瞬态透射波前，减去步骤4中会聚物镜的透射波前误差，这样就获得了激光的瞬态波前。

综上所述，本发明斜入射反射型点衍射板及其干涉测量方法，其中点衍射板选用玻璃平板作为基底，易于获得；基底上所镀膜层为普通的增透膜与高反膜，成本低，镀制精度高；高反膜上小孔为普通侵蚀小孔，易于制作；干涉测量光路简单，结构紧凑，无需参考镜，测试结果精度高；测试过程简单，调整方便，对环境的要求较低，使测试更容易实现。

Claims (7)

1.一种斜入射反射型点衍射板，其特征在于，该点衍射板的基底采用折射率均匀的光学玻璃，且该光学玻璃为厚度为h的平行平板结构；所述基底的入射面上部镀有透过率为t₁的增透膜、下部镀有透过率为r₁的介质膜，基底的反射面上部镀有反射率为r₂的高反膜、下部镀有透过率为t₂的增透膜；所述入射面下部的介质膜内设有一个椭圆孔，该椭圆孔的中心到入射面上部增透膜的距离为d；所述基底反射面上部的高反膜在入射面上的投影与入射面下部的介质膜部分重叠，使反射面上部的高反膜只将入射光反射一次；

所述光学玻璃为厚度为h的平行平板结构，其中h如下式所示：

$h=\frac{N\mathrm{\&lambda;}F}{8cos\mathrm{\&theta;}tan\&lsqb;\arcsin \left(\frac{\sin \mathrm{\&theta;}}{n}\right)\&rsqb;}$

其中，N为探测器横向像素数，λ为入射光的中心波长，F为会聚光束的F数，n为点衍射板基底的折射率，θ为点衍射板的工作角度，即会聚光束的光轴与点衍射板入射面法线的夹角。

2.根据权利要求1所述的斜入射反射型点衍射板，其特征在于，所述入射面上部增透膜的透过率t₁≥50％、下部介质膜的透过率r₁≤0.1％，所述反射面上部高反膜的反射率r₂≥90％、下部增透膜的透过率t₂≥90％。

3.根据权利要求1所述的斜入射反射型点衍射板，其特征在于，所述椭圆孔的长轴与短轴之比为且所述椭圆孔的短轴长b满足下式：

b＜1.22λF。

4.根据权利要求1所述的斜入射反射型点衍射板，其特征在于，所述椭圆孔的中心到入射面上半部分增透膜的距离d满足下式：

$\frac{2hsin\&lsqb;\arctan \left(\frac{1}{2F}\right)\&rsqb;tan\&lsqb;\arcsin \left(\frac{sin\mathrm{\&theta;}}{n}\right)\&rsqb;}{sin\&lsqb;\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}+\mathrm{\&theta;}-\arctan \left(\frac{1}{2F}\right)\&rsqb;sin\mathrm{\&theta;}}<d<2htan\&lsqb;\arcsin \left(\frac{sin\mathrm{\&theta;}}{n}\right)\&rsqb;.$

5.一种基于斜入射反射型点衍射板的干涉测量方法，其特征在于，采用权利要求1所述的斜入射反射型点衍射板进行干涉测量，步骤如下：

(1)调整点衍射板的位置，使会聚光束焦面位于点衍射板的入射面与反射面之间，调整点衍射板入射面法线与会聚光束光轴之间的夹角为θ，使得会聚光束经反射面上半部分的高反膜进行反射，并且产生的反射光能够经过椭圆孔衍射，同时由入射面下半部分的介质膜产生的反射光能够经过反射面下半部分的增透膜透射出去；

(2)用探测器采集载频干涉图，通过成像透镜将光束出瞳处的波前干涉图成像到探测器靶面，得到包含横向错位与纵向错位的球面波叠加的载频干涉图；

(3)利用干涉图恢复波前相位，对干涉图进行傅里叶变换，取+1或-1级旁瓣然后进行傅里叶逆变换即可恢复波前相位；

(4)采用Zernike拟合方法对步骤(3)所得的波前相位进行波面拟合，消除波面边缘的吉布斯效应并得到波面包含的像差信息；

(5)计算两个错位标准球面波的干涉光程差，得到消去倾斜与离焦后的波面误差即系统误差，通过载频干涉图中的线性载频数L与系统误差之间的关系标定系统误差。

6.根据权利要求5所述的基于斜入射反射型点衍射板的干涉测量方法，其特征在于，步骤(2)所述用探测器采集载频干涉图，通过成像透镜将光束出瞳处的波前干涉图成像到探测器靶面，得到包含横向错位与纵向错位的球面波叠加的载频干涉图，其中横向错位距离为Δx，如下式所示：

$\mathrm{\&Delta;}x=2hcos\mathrm{\&theta;}tan\&lsqb;\arcsin \left(\frac{sin\mathrm{\&theta;}}{n}\right)\&rsqb;$

所述载频干涉图中的线性载频数为L，如下式所示：

$L=\frac{\mathrm{\&Delta;}x}{\mathrm{\&lambda;}F}$

所述纵向错位距离为Δy，如下式所示：

$\mathrm{\&Delta;}y=|\frac{h_d}{sin\mathrm{\&theta;}}-\frac{\mathrm{\&Delta;}x}{tan\mathrm{\&theta;}}|$

其中，h_d为会聚光束的焦点到椭圆孔中心所在法线的距离，对应载频干涉图中引入的圆载频数为C：

$C=\frac{\mathrm{\&Delta;}y}{8{\mathrm{\&lambda;F}}^2}.$

7.根据权利要求5所述的基于斜入射反射型点衍射板的干涉测量方法，其特征在于，步骤(5)所述计算两个错位标准球面波的干涉光程差，得到消去倾斜与离焦后的波面误差即系统误差，通过载频干涉图中的线性载频数L与系统误差之间的关系标定系统误差，具体如下：

(5.1)计算两个错位标准球面波的干涉光程差，得到消去倾斜与离焦后的波面误差即系统误差，两个错位标准球面波的干涉光程差为W(x,y)：

$W(x,y)\&ap;\frac{\mathrm{\&Delta;}x}{2F}x-\frac{\mathrm{\&Delta;}y}{8F^2}(x^2+y^2)-\frac{\mathrm{\&Delta;}x}{8F^3}x(x^2+y^2)+C^{\&prime;},$

其中(x,y)为归一化坐标，式中为线性载频项，为圆载频项，为误差项，C'为常数项，则系统误差S为：

$S=-\frac{\mathrm{\&Delta;}x}{8{\mathrm{\&lambda;F}}^3},$

其中单位为λ；

(5.2)通过载频干涉图中的线性载频数L与系统误差之间的关系标定系统误差，其中载频干涉图中的线性载频数L与系统误差之间的关系为：

$S=-\frac{L}{8F^2}.$