CN109029245B - 透射波前检测干涉仪 - Google Patents
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Abstract
一种透射波前检测干涉仪,包括:光源单元、传输光纤、准直单元、第一转折镜、被测介质、第二转折镜、汇聚镜、波前检测单元和控制单元;该干涉仪采用光纤进行光路布局,具有结构简单,易于装调、抗干扰性强、信号强度可调等优点,并且,系统进行双波长测量扩展时,采用准直单元双色分光镜、干涉仪单元双色分光镜,能够方便、低成本的建立双波长透射波前检测系统。
Description
技术领域
本发明涉及干涉测量领域,特别是一种透射波前检测干涉仪。
背景技术
透射波前是评价光学介质的重要参数。如成像系统的透射波前反映了成像系统的成像质量;流场的透射波前能够反映流场的密度分布和温度分布。
自由空间光路马赫泽德干涉仪是测量透射波前的一种常见系统(参见在先技术一:陈志敏,王海龙,殷木良,激光双曝光全息干涉技术在测取射流密度场中的应用,应用激光,2007,27(3):201-204.),但是该系统光路结构复杂,系统成本高,使用过程中装调困难,光路易受环境干扰。
法国Phasics公司提出采用光栅剪切干涉波前传感器进行透射波前测量,可以进行等离子体密度检测(参加在先技术二:G.R.Plateau,N.H.Matlis,&al,Wavefront-sensor-based electron density measurements for laser-plasma Accelerators,LOASIS Program,Lawrence Berkeley National Laboratory(LBNL),REVIEW OFSCIENTIFIC INSTRUMENTS 81,033108,2010.)。但是该系统数据处理步骤复杂,且不能测量透射波前的波前倾斜信息。
上述在先技术均采用自由空间光路,实验调试复杂,成本高;此外,上述技术采用多个波长的光源进行同时检测时,均需要消色差光学元件,增加了系统成本;而多波长检测能够用来扩展系统测量动态范围,也可以依据不同波长的透射波前推算多种物理参数。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足,提供一种透射波前检测干涉仪,该干涉仪采用光纤进行光路布局,具有结构简单,易于装调、抗干扰性强的优点;并且,该方案能够方便、低成本的建立双波长透射波前检测系统。
本发明的技术解决方案如下:
一种透射波前检测干涉仪,其特点在于其构成包括:光源单元、传输光纤、准直单元、第一转折镜、被测介质、第二转折镜、汇聚镜、波前检测单元、控制单元;
上述各组成部分的位置与连接关系是:光源单元输出光通过传输光纤输入准直单元,准直单元将输入光准直为平行光输出;准直单元输出光经第一转折镜调整传输方向后,通过被测介质,然后再通过第二转折镜调整传输方向后,入射至汇聚镜;经过汇聚镜后,平行光转换为汇聚光;汇聚光汇聚输入波前检测单元;控制单元控制波前检测单元工作,并计算入射波前相位信息;所述的波前检测单元包含波前接收模块;所述的波前接收模块是波前传感器模块,或干涉仪模块;
所述的光源单元包括光源和可调衰减器;所述的光源是光纤耦合输出光源;所述的光源输出光输入可调衰减器,对输出光功率进行调节后,耦合入传输光纤;
所述的准直单元的输入端位于准直透镜的焦点上;
所述的传输光纤是单模光纤或保偏光纤;
所述的准直单元包含准直透镜,所述的准直透镜是单片球面或非球面透镜,或者多片透镜,或者多组分立的透镜组;
所述的第一转折镜和第二转折镜均包括反射镜和二维角度调整架,所述的反射镜安装在二维角度调整架上;
所述的波前接收模块是波前传感器模块时,所述的波前接收模块将入射光准直后由波前传感器接收,或者由波前传感器直接接收发散光束;所述的波前传感器是哈特曼传感器,或剪切干涉仪;
所述的波前接收模块是干涉仪模块时,所述的光源单元包括分束器,分束器连接于光源之后,将光源输出光分为两路,分别输出至第一可调衰减器和第二可调衰减器,第一可调衰减器输出光耦合入第一传输光纤,第二可调衰减器输出光耦合入第二传输光纤;第一传输光纤与准直单元连接,第二传输光纤与干涉仪模块的参考光输入端相连接;经过汇聚镜的汇聚光输入干涉仪模块的测量光输入端;所述的干涉仪模块包括干涉仪模块分光镜和二维光电探测器;所述的干涉仪模块采用干涉仪模块分光镜将从参考光输入端入射的参考光和从测量光输入端入射的测量光合束,发生干涉,并由二维光电探测器接收干涉条纹;二维光电探测器接收准直光束或发散光束;
在所述的汇聚镜与波前检测单元之间有辅助对准分光镜,辅助对准分光镜将一部分汇聚光分束汇聚至辅助对准光接收单元的接收面;辅助对准光接收单元接收到的光点位置反应了第二转折镜输出平行光的传输方向,用来辅助快速调节第二转折镜的角度,便于测量。
上述解决方案具有以下优点:
1、本发明采用光纤传输光,光路布局容易,对外部扰动不敏感;光源单元具有可调衰减器调节光强,能够有效利用系统的测量动态范围,提高测量精度;通过调节第二转折镜的角度,能够方便的实现光路快速对准;特别是当所述的波前接收模块是干涉仪模块时,参考光路布局复杂度大大降低,干涉对比度任意可调。
2、所述的透射波前检测干涉仪能够进行双波长测量扩展,光源单元包括输出波长不同的第一波长光源单元和第二波长光源单元,准直单元包括准直双色分光镜,波前检测单元包括波前检测单元双色分光镜,第一波长波前接收模块和第二波长波前接收模块;其连接关系是第一波长光源单元输出光通过第一波长传输光纤输入准直单元的第一波长输入端,第二波长光源单元输出光通过第二波长传输光纤输入准直单元的第二波长输入端,准直单元将两个波长的输入光准直为平行光输出;所述的准直单元双色分光镜是对第一波长透光传输,对第二波长反射传输的分光镜;准直单元的第一波长输入端位于准直透镜在第一波长的焦点上,准直单元的第二波长输入端位于准直透镜在第二波长的焦点上;准直透镜由第一波长光与第二波长光共用,或其部分透镜组由第一波长光与第二波长光共用;所述的波前检测单元双色分光镜将输入波前检测单元的汇聚光进行分光,第一波长透光传输,第二波长反射传输;第一波长的汇聚光由第一波长波前接收模块接收,第二波长的汇聚光由第二波长波前接收模块接收;
所述的透射波前检测干涉仪进行双波长测量扩展,且所述的波前接收模块是干涉仪模块时,所述的第一波长光源单元和第二波长光源单元均包括分束器,将第一波长光源和第二波长光源输出光均分为两路;第一波长第一传输光纤与准直单元的第一波长输入端相连接,第一波长第二传输光纤与第一波长干涉仪模块的参考光输入端相连接;第二波长第一传输光纤与准直单元的第二波长输入端相连接,第二波长第二传输光纤与第二波长干涉仪模块的参考光输入端相连接;
所述的透射波前检测干涉仪进行双波长测量扩展,且任一波长的波前接收模块是干涉仪模块时,该波长的光源单元包括分束器,将该波长光源输出光分为两路;该波长第一传输光纤与准直单元的该波长输入端相连接,该波长第二传输光纤与该波长干涉仪模块的参考光输入端相连接。
3、本发明的准直单元和干涉仪分系统中采用了双色分光镜,使得系统中不需要采用消色差透镜,降低了系统成本,系统可用波长范围增大。
4、本发明采用光纤进行光路布局,具有结构简单,易于装调、抗干扰性强的优点;并且能够方便、低成本的建立双波长透射波前检测系统。
附图说明
图1为本发明透射波前检测干涉仪实施例1的结构示意图;
图2是本发明透射波前检测干涉仪光源单元的结构示意图;
图3是本发明第一转折镜的结构示意图;
图4是本发明波前检测单元波前接收模块是波前传感器模块时两个实施例的结构示意图;
图5为本发明透射波前检测干涉仪第二个实施例的结构示意图;
图6是本发明波前检测单元波前接收模块是干涉仪模块时两个实施例的结构示意图;
图7为本发明透射波前检测干涉仪进行双波长测量扩展时第一个实施例的结构示意图;
图8是本发明准直单元进行双波长测量扩展时三个实施例的结构示意图;
图9为本发明透射波前检测干涉仪进行双波长测量扩展时第二个实施例的结构示意图;
图10为本发明透射波前检测干涉仪进行双波长测量扩展时第三个实施例的结构示意图;
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明,但不以此实施例限制本发明的保护范围。
图1为本发明透射波前检测干涉仪第一个实施例的结构示意图;其构成包括:光源单元1、传输光纤1-O、准直单元2、第一转折镜3、被测介质4、第二转折镜5、汇聚镜6、波前检测单元9、控制单元10;
上述各组成部分的位置与连接关系是:光源单元1输出光通过传输光纤1-O输入准直单元2,准直单元2将输入光准直为平行光输出;准直单元2输出光经第一转折镜3调整传输方向后,通过被测介质4,然后再通过第二转折镜5调整传输方向后,入射至汇聚镜6;经过汇聚镜6后,平行光转换为汇聚光;汇聚光输入波前检测单元9;控制单元10控制波前检测单元9工作,并计算入射波前相位信息;所述的波前检测单元9包含波前接收模块9-S;所述的波前接收模块9-S是波前传感器模块,或干涉仪模块;
图2是本发明透射波前检测干涉仪光源单元的结构示意图;如图2(a)所示,所述的光源单元1包括光源1-1和可调衰减器1-3;所述的光源1-1是光纤耦合输出光源;所述的光源1-1输出光输入可调衰减器1-3,对输出光功率进行调节后,耦合入传输光纤1-O;
准直单元2的输入端位于准直透镜2-2的焦点上;
所述的传输光纤1-O是单模光纤或保偏光纤;
所述的准直单元2包含准直透镜2-2,所述的准直透镜2-2是单片球面或非球面透镜,或者多片透镜,或者多组分立的透镜组;
所述的第一转折镜3和第二转折镜5均包括反射镜和二维角度调整架,所述的反射镜安装在二维角度调整架上;如图3所示,第一转折镜3包括反射镜3-1和二维角度调整架3-2;
所述的波前接收模块9-S是波前传感器模块时,如图4(a),波前接收模块9-S通过波前传感器准直透镜9-S-M1将入射光准直后由波前传感器9-S-M2接收,所述的波前传感器9-S-M2是哈特曼传感器;或者由波前传感器9-S-M2直接接收发散光束,如图4(b)所示,所述的波前传感器9-S-M2是剪切干涉仪;
所述的波前接收模块9-S是干涉仪模块时,所述的光源单元1包括分束器1-2,如图2(b)、图5、图6所示,分束器1-2连接于光源1-1之后,将光源1-1输出光分为两路,分别输出至第一可调衰减器1-3-1和第二可调衰减器1-3-2,第一可调衰减器1-3-1输出光耦合入第一传输光纤1-O1,第二可调衰减器1-3-2输出光耦合入第二传输光纤1-O2;第一传输光纤1-O1与准直单元2连接,第二传输光纤1-O2与干涉仪模块9-S的参考光输入端9-S-IR相连接;经过汇聚镜的汇聚光输入干涉仪模块9-S的测量光输入端9-S-IM;所述的干涉仪模块包括干涉仪模块分光镜9-S-I3和二维光电探测器9-S-I4;所述的干涉仪模块采用干涉仪模块分光镜9-S-I3将从参考光输入端9-S-IR入射的参考光和从测量光输入端9-S-IM入射的测量光合束,发生干涉,并由二维光电探测器9-S-I4接收干涉条纹;二维光电探测器9-S-I4接收准直光束或发散光束,分别如图6(a)、图6(b)所示;
在所述的汇聚镜6与波前检测单元9之间有辅助对准分光镜7,辅助对准分光镜7将一部分汇聚光分束汇聚至辅助对准光接收单元8的接收面;辅助对准光接收单元8接收到的光点位置反应了第二转折镜5输出平行光的传输方向,用来辅助快速调节第二转折镜5的角度,便于测量。
上述解决方案具有以下优点:
采用光纤传输光,光路布局容易,对外部扰动不敏感;光源单元具有可调衰减器调节光强,能够有效利用系统的测量动态范围,提高测量精度;通过调节第二转折镜的角度,能够方便的实现光路快速对准;特别是当所述的波前接收模块是干涉仪模块时,参考光路布局复杂度大大降低,干涉对比度任意可调。
所述的透射波前检测干涉仪能够进行双波长测量扩展,如图7所示:光源单元1包括输出波长不同的第一波长光源单元1A和第二波长光源单元1B,准直单元2包括准直双色分光镜2-1,波前检测单元包括波前检测单元双色分光镜9-1,第一波长波前接收模块9-SA和第二波长波前接收模块9-SB;其连接关系是第一波长光源单元1A输出光通过第一波长传输光纤1A-O输入准直单元2的第一波长输入端2-I1,第二波长光源单元1B输出光通过第二波长传输光纤1B-O输入准直单元2的第二波长输入端2-I2,准直单元2将两个波长的输入光准直为平行光输出;所述的准直单元双色分光镜2-1是对第一波长透光传输,对第二波长反射传输的分光镜;准直单元2的第一波长输入端2-I1位于准直透镜2-2在第一波长的焦点上,准直单元2的第二波长输入端2-I2位于准直透镜2-2在第二波长的焦点上;准直透镜2-2由第一波长光与第二波长光共用,如图8(a)、(b)所示,或其部分透镜组由第一波长光与第二波长光共用,如图8(c)所示;所述的波前检测单元双色分光镜9-1将输入波前检测单元9的汇聚光进行分光,第一波长透光传输,第二波长反射传输;第一波长的汇聚光由第一波长波前接收模块9-SA接收,第二波长的汇聚光由第二波长波前接收模块9-SB接收;
所述的透射波前检测干涉仪进行双波长测量扩展,且所述的波前接收模块9-S是干涉仪模块时,如图9所示,所述的第一波长光源单元1A和第二波长光源单元1B均包括分束器1-2,将第一波长光源和第二波长光源输出光均分为两路;第一波长第一传输光纤1A-O1与准直单元2的第一波长输入端2-I1相连接,第一波长第二传输光纤1A-O2与第一波长干涉仪模块9-SA的参考光输入端相连接;第二波长第一传输光纤1B-O1与准直单元2的第二波长输入端2-I2相连接,第二波长第二传输光纤1B-O2与第二波长干涉仪模块9-SB的参考光输入端相连接;
所述的透射波前检测干涉仪进行双波长测量扩展,且所述的任一波长的波前接收模块9-S是干涉仪模块时,如图10所示,第一波长波前接收模块9-SA是干涉仪模块,第一波长光源单元1A包括分束器,将第一波长光源输出光分为两路;第一波长第一传输光纤1A-O1与准直单元2的第一波长输入端2-I1相连接,第一波长第二传输光纤1A-O2与第一波长干涉仪模块9-SA的参考光输入端相连接。
所述的透射波前检测干涉仪进行双波长测量扩展具有以下优点:准直单元和干涉仪分系统中采用了双色分光镜,使得系统中不需要采用消色差透镜,降低了系统成本,系统可用波长范围增大。
本发明采用光纤进行光路布局,具有结构简单,易于装调、抗干扰性强的优点;并且能够方便、低成本的建立双波长透射波前检测系统。
Claims (7)
1.一种透射波前检测干涉仪,其构成包括:光源单元(1)、传输光纤(1-O)、准直单元(2)、第一转折镜(3)、被测介质(4)、第二转折镜(5)、汇聚镜(6)、波前检测单元(9)和控制单元(10);光源单元(1)输出光通过传输光纤(1-O)输入准直单元(2),准直单元(2)将输入光准直为平行光输出;准直单元(2)输出光经第一转折镜(3)调整传输方向后,通过被测介质(4),然后再通过第二转折镜(5)调整传输方向后,入射至汇聚镜(6);经过汇聚镜(6)后,平行光转换为汇聚光;汇聚光输入波前检测单元(9);控制单元(10)控制波前检测单元(9)工作,并计算入射波前相位信息;所述的波前检测单元(9)包含波前接收模块(9-S);所述的波前接收模块(9-S)是波前传感器模块,或干涉仪模块;所述的光源单元(1)包括光源(1-1)和可调衰减器(1-3);所述的光源(1-1)是光纤耦合输出光源;所述的光源(1-1)输出光输入可调衰减器(1-3),对输出光功率进行调节后,耦合入传输光纤(1-O);所述的准直单元(2)的输入端位于准直透镜(2-2)的焦点上;所述的传输光纤(1-O)是单模光纤或保偏光纤;其特征在于,所述的波前接收模块(9-S)是干涉仪模块,所述的光源单元(1)包括分束器(1-2),分束器(1-2)连接于光源(1-1)之后,将光源(1-1)输出光分为两路,分别输出至第一可调衰减器(1-3-1)和第二可调衰减器(1-3-2),第一可调衰减器(1-3-1)输出光耦合入第一传输光纤(1-O1),第二可调衰减器(1-3-2)输出光耦合入第二传输光纤(1-O2);第一传输光纤(1-O1)与准直单元(2)连接,第二传输光纤(1-O2)与干涉仪模块(9-S)的参考光输入端(9-S-IR)相连接;经过汇聚镜的汇聚光输入干涉仪模块(9-S)的测量光输入端(9-S-IM);所述的干涉仪模块包括干涉仪模块分光镜(9-S-I3)和二维光电探测器(9-S-I4);所述的干涉仪模块采用干涉仪模块分光镜(9-S-I3)将从参考光输入端(9-S-IR)入射的参考光和从测量光输入端(9-S-IM)入射的测量光合束,发生干涉,并由二维光电探测器(9-S-I4)接收干涉条纹;二维光电探测器(9-S-I4)接收准直光束或发散光束。
2.根据权利要求1所述的透射波前检测干涉仪,其特征在于所述的准直单元(2)包含准直透镜(2-2),所述的准直透镜(2-2)是单片球面或非球面透镜,或者多片透镜,或者多组分立的透镜组。
3.根据权利要求1所述的透射波前检测干涉仪,其特征在于所述的第一转折镜(3)和第二转折镜(5)均包括反射镜和二维角度调整架,所述的反射镜安装在二维角度调整架上。
4.根据权利要求1所述的透射波前检测干涉仪,其特征在于所述的波前传感器是哈特曼传感器,或剪切干涉仪。
5.根据权利要求1所述的透射波前检测干涉仪,其特征在于所述的汇聚镜(6)与波前检测单元(9)之间有辅助对准分光镜(7),辅助对准分光镜(7)将一部分汇聚光分束汇聚至辅助对准光接收单元(8)的接收面。
6.根据权利要求1所述的透射波前检测干涉仪,其特征在于光源单元(1)包括输出波长不同的第一波长光源单元(1A)和第二波长光源单元(1B),准直单元(2)包括准直双色分光镜(2-1),波前检测单元包括波前检测单元双色分光镜(9-1),第一波长波前接收模块(9-SA)和第二波长波前接收模块(9-SB);其连接关系是第一波长光源单元(1A)输出光通过第一波长传输光纤(1A-O)输入准直单元(2)的第一波长输入端(2-I1),第二波长光源单元(1B)输出光通过第二波长传输光纤(1B-O)输入准直单元(2)的第二波长输入端(2-I2),准直单元(2)将两个波长的输入光准直为平行光输出;所述的准直单元双色分光镜(2-1)是对第一波长透光传输,对第二波长反射传输的分光镜;准直单元(2)的第一波长输入端(2-I1)位于准直透镜(2-2)在第一波长的焦点上,准直单元(2)的第二波长输入端(2-I2)位于准直透镜(2-2)在第二波长的焦点上;准直透镜(2-2)由第一波长光与第二波长光共用,或其部分透镜组由第一波长光与第二波长光共用;所述的波前检测单元双色分光镜(9-1)将输入波前检测单元(9)的汇聚光进行分光,第一波长透光传输,第二波长反射传输;第一波长的汇聚光由第一波长波前接收模块(9-SA)接收,第二波长的汇聚光由第二波长波前接收模块(9-SB)接收。
7.根据权利要求1、4、5任一项所述的透射波前检测干涉仪,其特征在于,任一波长的波前接收模块(9-S)是干涉仪模块时,该波长的光源单元包括分束器,将该波长光源输出光分为两路;该波长第一传输光纤与准直单元的该波长输入端相连接,该波长第二传输光纤与该波长干涉仪模块的参考光输入端相连接。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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