CN105806493A - 基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪，属于光学检测领域。包括光学匹配系统、分光镜、第一和第二傅里叶透镜、CCD探测器和计算机系统；还包括两头分别放置在第一和第二傅里叶透镜各自焦点处的单模光纤。本发明利用光纤可弯曲性，引导参考光束走向，而不必使用大量反射镜，这样即能减少光学元件引入误差，又有利于装置结构小型化和集成化。本发明与传统点衍射干涉仪相比只需一副空间线性载频干涉条纹图就可通过快速傅里叶变换法准确地复原出待测光波前相位分布；结构简单紧凑、无需专门的参考光；且信号光与待测光之间不存在使波前畸变的任何光学元件，复原波前准确性高；适用于各类波前相位静动态检测领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种自参考干涉波前相位传感技术，特别涉及一种基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪，属于光学检测技术领域。
背景技术
随着科学技术不断发展，精密测量技术变得越来越重要，而光学测量技术因其具有高精度、高灵敏度、非接触等优势，在测量领域占据主导地位。激光波前检测技术在光学检测、自适应光学、激光传输与控制、生物光学成像技术与应用，以及眼科医学检测等工业制造、医学和科研等领域均具有广阔的应用前景。因此，对波前传感技术的研究具有重要的研究价值和实际意义。常用的激光波前检测技术有哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)波前传感技术和自参考波前测量技术。哈特曼-夏克波前传感器具有结构简单、标定方便、测量动态范围大等优点；其测量原理是通过测量在子孔径阵列上和在两个正交方向上的波前梯度矢量，再经过计算机计算进行波前重构。但其测量精度一般，只能达到十分之一波长量级，这是受到其微透镜阵列几何尺寸的限制。提高测量精度的方法一般是增加微透镜阵列数量，但随之而来的就是大量的待处理数据量，并且需要提高计算机数据处理速度。近年来，学者们提出了许多办法来纾解自适应光学系统对计算机数据处理速度的要求，例如用许多个小微透镜阵列来代替一个大微透镜阵列，用局部校正替换全局校正的自适应光学系统等。但这些方法都不能解决自适应波前传感的根本问题，所以很难用哈特曼-夏克波前传感技术实现高精度实时测量。
自参考波前测量技术是光学测量技术的一个重要分支。自参考波前传感器早已成为光学元件、光学系统以及激光光束质量检测的重要手段，其检测精度可达到百分之一波长量级。其中点衍射干涉技术由于其高精度、高速率、强抗干扰能力以及低成本等优势在各种波前相位动态和静态高精度检测中得到了广泛的应用。其广泛的应用也推动了点衍射干涉研究的发展。
1933年，Linnik最早在文献“Simpleinterferometerfortheinvestigationofopticalsystems”中提出了点衍射干涉仪的理论雏形，直到1974年，J.Strong和R.N.Smartt才在光学协会杂志上发表了“Point-diffractioninterferoment”一文，此文章详细地介绍了点衍射干涉仪的基本理论，并指出这套系统在理论上可达到很高的测量精度。自点衍射干涉仪被提出后，各国科研工作者做了大量工作，不断改进、完善点衍射干涉技术来提高其测量精度，扩展其应用范围。最近10来年，点衍射干涉技术依然是一个热门研究领域，在追求高精度测量的同时，点衍射干涉仪的简单化、小型化和集成化也越来越被重视。如杜永兆等人在文献“Circularcommon-pathpointdiffractioninterferometer,Opticsletters37,3927-3929(2012)”中提出的的环形共路点衍射干涉仪；后来HongyiBai等人在文献“CommonpathinterferometerbasedonthemodifiedMichelsonconfigurationusingareflectivegrating,OpticsandLasersinEngineering75,1-4(2015)”提出的更为紧凑的基于光栅的点衍射干涉仪可以对微小液滴挥发进行实施准确的测量。大部分点衍射干涉装置都采用针孔掩膜板产生理想参考波，掩膜板针孔质量是影响点衍射干涉装置准确性的关键，但高质量针孔掩膜版制作难度较高，成本也较大。光纤制造技术及耦合技术的发展为光纤取代点衍射干涉仪中的小孔提供了可能性，目前光纤纤芯直径已经能够达到2μm以下，并且光纤可以进一步拉成光纤锥，使得纤芯直径进一步缩小；这样光纤就能够衍射出更高质量的标准球面波，从而就可以设计出更高精度以及结构更加合理的点衍射干涉仪。HagyongKihm和YunWooLee在文献“Afiber-diffractioninterferometerusingacoherentfiberoptictaper,MeasurementScienceandTechnology21,105306(2010)”中提出了一种用于检测样品表面的光纤点衍射干涉仪，但是该光路较长，因此该光纤点衍射干涉仪对环境的抗干扰能力相对较弱且不利于集成化。
发明内容
本发明的目的正是顺应当前点衍射干涉仪发展趋势，并克服现有技术中的缺陷和不足，提出的一种基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪。该点衍射干涉仪采用光纤进行点衍射，利用光纤的可弯曲性，引导参考光束走向，而不必使用大量的反射镜，这样即能减少光学元件引入误差，又有利于装置结构的小型化和集成化。
本发明的基本设计思想是：本发明提出一种基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪，该点衍射干涉仪采用光纤点衍射装置进行参考光生成，并采用分光镜在参考光与信号光之间引入空间线性载频，利用空间相位调制技术可以快速准确的测量待测光波前相位分布情况。该点衍射干涉仪的设置包括光学匹配系统、分光镜、第一和第二傅里叶透镜、CCD探测器和计算机系统；还包括两头分别放置在第一和第二傅里叶透镜各自焦点处的单模光纤。按光路描述，待测激光被分光镜分为透射光和反射光，透射光通过由两个傅里叶透镜和单模光纤组成的点衍射装置，产生近似理想的平面波作为参考光；反射光直接作为信号光。通过调节分光镜的倾斜角度引入空间线性载频，最后信号光与再次透过分光镜的参考光在相互重叠区域发生相干，形成含有待测光波前相位全部信息的空间线性载频干涉条纹被CCD探测器采集并传送至计算机系统。由于干涉条纹的空间线性载频大小可以通过调节分光镜的倾斜角度进行调节，因此只需要一副空间线性载频干涉条纹图就可以通过快速傅里叶变换法(FFT)或主成分分析法(PCA)就可以快速准确地复原出待测光的波前相位分布。
为实现本发明的上述目的，本发明采用由以下技术措施构成的技术方案来实现的。
本发明所述基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪，包括光学匹配系统、分光镜、第一傅里叶透镜和第二傅里叶透镜、CCD探测器和计算机系统；按照本发明，还包括两头分别放置在第一傅里叶透镜和第二傅里叶透镜各自焦点处的单模光纤；按光路描述，来自光学匹配系统的激光束，该待测激光被分光镜分为透射光和反射光，透射光通过由第一傅里叶透镜、第二傅里叶透镜和单模光纤组成的点衍射装置，产生近似理想的平面波作为参考光；反射光直接作为信号光；通过调节分光镜的倾斜角度引入空间线性载频，最后信号光与参考光在相互重叠区域发生相干，形成含有待测光波前相位全部信息的空间线性载频干涉条纹，并被CCD探测器采集再传送至计算机系统处理。
上述方案中，所述分光镜为单波长分光镜，它同时起着分光、调节信号光和参考光光强比，以及在参考光与信号光之间引入空间线性载频的作用。
上述方案中，所述单模光纤纤芯直径大小为艾里斑直径大小量级，以产生近似理想的球面波。
上述方案中，所述的第一傅里叶透镜和第二傅里叶透镜均为正傅里叶透镜。
本发明所述基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪，包括光学匹配系统、分光镜、第一傅里叶透镜和第二傅里叶透镜、CCD探测器和计算机系统；按照本发明，还包括置于光学匹配系统后的载波片和其上的待测样品，以及两头分别放置在第一傅里叶透镜和第二傅里叶透镜各自焦点处的单模光纤；按光路描述，来自光学匹配系统的激光束通过载波片上待测样品后，被分光镜分为透射光和反射光，透射光通过由第一傅里叶透镜、第二傅里叶透镜和单模光纤组成的点衍射装置，产生近似理想的平面波作为参考光；反射光直接作为信号光；通过调节分光镜的倾斜角度引入空间线性载频，最后信号光与参考光在相互重叠区域发生相干，形成含有全部待测样品信息的波前相位的空间线性载频干涉条纹，并被CCD探测器采集再传送至计算机系统处理。
上述方案中，所述待测样品为动态样品或静态样品。
上述方案中，所述分光镜为单波长分光镜。
上述方案中，所述单模光纤纤芯直径大小为艾里斑直径大小量级。
上述方案中，所述的第一傅里叶透镜和第二傅里叶透镜均为正傅里叶透镜。
本发明所述的基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪，当需要对动态或静态样品特性进行测量时，只需将样品放置在光学匹配系统之后、分光镜之前的光路上，其余光路不变。当待测动态或静态样品是液体或者无法直接固定的样品时，可以将样品附着在载玻片上再放置于光学匹配系统之后，通过检测由待测样品引起的相位变化对该样品的特性，如厚度、折射率以及均匀性等进行实时探测。
本发明与现有技术相比具有以下特点和有益技术效果：
1、本发明所公开的基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪与传统的哈特曼-夏克波前传感器相比，其CCD探测器的每一个像素点就相当于微阵列中的一个子孔径，因此，每一个像素点都能测得对应空间大小的待测波前分量，从而大大提高了波前相位检测的空间分辨率和测量精度。
2、本发明所公开的基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪与传统的点衍射干涉仪相比，用分光镜引入了空间线性载频，因此只需要一副空间线性载频干涉条纹图就可以通过快速傅里叶变换法(FFT)或主成分分析法(PCA)快速准确地复原出待测光的波前相位分布，使得本发明的光纤点衍射干涉仪可适用于各种波前相位动态和静态高精度检测。
3、本发明所公开的基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪中，所述CCD探测器采集的干涉条纹的空间线性载频大小可以通过调节分光镜的倾斜角度进行调节，当待测波前相位存在相位跳变时，可以通过采集不同空间线性载频下的多幅干涉条纹图进行相位计算。
4、本发明所公开的基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪，利用光纤的可弯曲性，引导参考光束走向，而不必使用大量的反射镜，这样即能减少光学元件引入误差，又有利于装置结构的小型化和集成化。
5、本发明所公开的基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪，利用光纤代替传统点衍射干涉仪的小孔进行点衍射，其中央亮斑集中了衍射光束的绝大部分光能量，对于单模光纤而言，其中央亮斑相对于衍射光束总能量的百分比大于99.93％；而平面波圆孔的夫琅禾费衍射的艾里斑相应的百分比仅为83.18％；以上数据参见文献“弱导光纤的标量衍射光束特性分析，中国激光，第30卷第9期(2003)”；由此可见用光纤代替传统点衍射干涉仪的小孔进行点衍射可以显著提高光的利用率。
6、本发明所公开的基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪中，待测光直接通过分光镜反射成为信号光，其结构紧凑抗噪能力强，且信号光除分光镜外未经过其他光学元件，测得的波前没有发生畸变。
7、本发明所公开的基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪中所涉及到的光纤为普通单模光纤，孔径在艾里斑大小量级，其价格便宜，得到的参考光是较为理想的参考平面波。
附图说明
图1是本发明实施例一基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪结构示意图；
图2中，(a)是通过调节图1中分光镜的倾斜角度对空间线性载频大小进行调节的原理示意图，(b)和(c)是本发明实施例一实际测量中调节分光镜的倾斜角度通过CCD探测器采集到的空间线性载频干涉条纹图，其中采集图(b)对应的分光镜的倾斜角度大于采集图(c)对应的分光镜的倾斜角度；
图3是本发明实例一采用图1装置用于实际测量中得到的激光波前相位三维分布图；
图4是本发明实施例二基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪的结构示意图；
图5是本发明实施例二采用图4装置用于实际测量中由CCD探测器采集到的空间线性载频干涉条纹图；
图6是从图5中提取的波前相位三维分布图。
图中，1-光学匹配系统，2-分光镜，3-第二傅里叶透镜，4-单模光纤，5-第一傅里叶透镜，6-CCD探测器，7-计算机系统，8-载玻片，9-待测样品。
具体实施方式
下面结合附图，并通过具体实施例对本发明进一步详细说明，但它仅用于说明本发明的一些具体的实施方式，而不应该理解为是对本发明保护范围的任何限定。
本发明所述基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪，其结构如图1所示，包括光学匹配系统1、分光镜2、第一傅里叶透镜5和第二傅里叶透镜3、CCD探测器6和计算机系统7；按照本发明，还包括两头分别放置在第一傅里叶透镜5和第二傅里叶透镜3各自焦点处的单模光纤4。按照光路描述，来自光学匹配系统1的待测光束被分光镜2分为两束，即一束透射光和一束反射光，所述反射光直接进入CCD探测器6，作为信号光；而透射光则经过第一傅里叶透镜5聚焦后，耦合进入单模光纤4，经过单模光纤衍射的透射光形成理想的球面波，单模光纤4出口端位于第二傅里叶透镜3的焦点处，这样对球面波进行准直放大，形成理想的平面波，作为参考光。参考光再次透过分光镜2并和信号光在它们相互叠加的区域发生干涉，通过调整分光镜2倾斜角度在参考光与信号光之间引入空间线性载频，最后用CCD探测器6采集、记录下携带有待测波前相位信息的干涉条纹图并发送至计算机系统7做进一步处理。
由于本发明的干涉仪中使用光纤代替了传统的针孔掩膜板，这样的好处有三个：第一是不必专门定制针孔，就可产生较高的光利用率的理想参考波；第二是光纤代替传统的小孔进行点衍射可以显著提高光的利用率；第三是利用光纤的可弯曲性，引导参考光束走向，而不必使用大量的反射镜，这样即能减少光学元件引入误差，又有利于装置结构的小型化和集成化。
假设待测激光复振幅表示为则本发明所述CCD探测器6接收到的空间线性载频干涉条纹强度分布可以表示为：
其中r为分光镜反射率；f0x和f0y分别是分光镜2在x方向和y方向引入的空间线性载频；△(x,y)为点衍射后的参考光引入的参考波前相位，一般可以认为参考光是理想平面波，所以可直接将其从式(1)中省略；B(x,y)为经过点衍射装置后参考光振幅。将式(1)改写为一般形式，即
其中a(x,y)＝[rA(x,y)]2+B2(x,y)和b(x,y)＝2rA(x,y)B(x,y)分别表示背景光强和调制度。综上所述可知CCD探测器6采集到的空间线性载频干涉条纹图包含有未发生畸变的全部待测波前相位信息，因此只需要一副空间线性载频干涉条纹图就可以通过快速傅里叶变换法(FFT)或主成分分析法(PCA)等空间相位解调技术快速准确地复原出待测光的波前相位分布。
实施例1
本实施例中，对发生畸变的波长为632.8nm的He-Ne激光器的波前相位进行检测。所述光学匹配系统1为放大4倍的望远镜系统，分光镜2为针对波长632.8nm的透反比为92:8的单波长薄膜分光镜，第一傅里叶透镜5和第二傅里叶透镜3是焦距分别为f1＝10mm和f2＝30mm的消像差正傅里叶透镜，单模光纤4采用纤芯折射率n1＝1.4515、包层折射率n2＝1.4498、纤芯半径为3μm的阶跃单模光纤，CCD探测器6采用型号为MVC-II-1MM、像素阵面为1024×1280的CCD探测器，计算机系统7为普通PC计算机。
按照如图1结构所示的光路放置好各个元器件，在对发生畸变的He-Ne激光器波前相位进行检测时，待测激光经过光学匹配系统1实现对不同光斑大小的光束进行匹配，然后通过分光镜2后被分为两束，一束反射光直接进入CCD探测器6，作为信号光；而另一束透射光则经过第一傅里叶透镜5聚焦后，耦合进入单模光纤4，经过单模光纤衍射的透射光形成理想的球面波，单模光纤出口端位于第二傅里叶透镜3的焦点处，这样对球面波进行准直放大，形成理想的平面波，作为参考光。参考光再次透过分光镜2和信号光，在它们相互叠加的区域发生干涉，通过调整分光镜倾斜角度在参考光与信号光之间引入空间线性载频，最后用CCD探测器6采集、记录下携带有待测波前相位信息的干涉条纹图并发送至计算机系统7，如图2(b)和图2(c)分别为微调分光镜倾斜角度前后由CCD探测器6采集到的空间线性载频干涉条纹图。通过快速傅里叶变换法(FFT)快速准确地复原出待测He-Ne激光器的波前相位分布，得到实际测量的波前相位三维分布图如图3所示。
实施例2
本实施例中，按照如图4结构所示的光路放置好各个元器件，对放置在光路中的待测样品微小酒精滴挥发过程中待测激光波前变化情况进行实时检测。所用光源采用波长为632.8nm的He-Ne激光器，所述光学匹配系统1为放大9倍的望远镜系统，将滴有微小酒精滴9的载玻片8稍微倾斜放置在光学匹配系统1后面，分光镜2为针对波长632.8nm的透反比为92:8的单波长薄膜分光镜，第一傅里叶透镜5和第二傅里叶透镜3是焦距分别为f1＝10mm和f2＝30mm的消像差正傅里叶透镜，单模光纤4采用纤芯折射率n1＝1.4515、包层折射率n2＝1.4498、纤芯半径为3μm的阶跃单模光纤，CCD探测器6采用型号为MVC-II-1MM、像素阵面为1024×1280的CCD探测器，计算机系统7为普通PC计算机。
实施例2与实施例1不同的是测量一个动态过程，CCD探测器6需要连续采集干涉条纹图，本实施例选取的时间间隔为0.1s。最后将CCD探测器6采集、记录下携带有待测波前相位信息的干涉条纹图发送至计算机系统7，通过主成分分析法(PCA)快速准确地复原出每个时刻激光波前相位分布，结合酒精溶液折射率快速准确地计算出该时刻微小酒精滴的厚度分布，从而对微小酒精滴挥发过程厚度变化情况进行实时检测。图5为开始测量后1s时刻CCD探测器6采集到的干涉条纹图，图6为通过主成分分析法(PCA)，从图5所示干涉条纹图中提取出的由微小酒精滴引起的波前相位三维分布图。
Claims (9)
1.一种基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪，包括光学匹配系统(1)、分光镜(2)、第一傅里叶透镜(5)和第二傅里叶透镜(3)、CCD探测器(6)和计算机系统(7)；其特征在于还包括两头分别放置在第一傅里叶透镜(5)和第二傅里叶透镜(3)各自焦点处的单模光纤(4)；按光路描述，来自光学匹配系统(1)的激光束被分光镜(2)分为透射光和反射光，透射光通过由第一傅里叶透镜(5)、第二傅里叶透镜(3)和单模光纤(4)组成的点衍射装置，产生近似理想的平面波作为参考光；反射光直接作为信号光；通过调节分光镜(2)的倾斜角度引入空间线性载频，最后信号光与参考光在相互重叠区域发生相干，形成含有待测光波前相位全部信息的空间线性载频干涉条纹，被CCD探测器(6)采集并传送至计算机系统(7)处理。
2.根据权利要求1所述的基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪，其特征在于所述分光镜(2)为单波长分光镜。
3.根据权利要求1或2所述的基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪，其特征在于所述单模光纤(4)纤芯直径大小为艾里斑直径大小量级，以产生近似理想的球面波。
4.根据权利要求1或2所述的基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪，其特征在于所述的第一傅里叶透镜(5)和第二傅里叶透镜(3)均为正傅里叶透镜。
5.一种基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪，包括光学匹配系统(1)、分光镜(2)、第一傅里叶透镜(5)和第二傅里叶透镜(3)、CCD探测器(6)和计算机系统(7)；其特征在于还包括置于光学匹配系统(1)后的载波片(8)和其上的待测样品(9)，以及两头分别放置在第一傅里叶透镜(5)和第二傅里叶透镜(3)各自焦点处的单模光纤(4)；按光路描述，来自光学匹配系统(1)的激光束通过载波片(8)上待测样品(9)后，被分光镜(2)分为透射光和反射光，透射光通过由第一傅里叶透镜(5)、第二傅里叶透镜(3)和单模光纤(4)组成的点衍射装置，产生近似理想的平面波作为参考光；反射光直接作为信号光；通过调节分光镜(2)的倾斜角度引入空间线性载频，最后信号光与参考光在相互重叠区域发生相干，形成含有待测样品(9)的波前相位全部信息的空间线性载频干涉条纹，被CCD探测器(6)采集并传送至计算机系统(7)处理。
6.根据权利要求5所述基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪，其特征在于所述待测样品(9)为动态样品或静态样品。
7.根据权利要求5或6所述的基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪，其特征在于所述分光镜(2)为单波长分光镜。
8.根据权利要求5或6所述的基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪，其特征在于所述单模光纤(4)纤芯直径大小为艾里斑直径大小量级。
9.根据权利要求5或6所述的基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪，其特征在于所述的第一傅里叶透镜(5)和第二傅里叶透镜(3)均为正傅里叶透镜。
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