CN112013973B - 基于斐波那契光子筛的变剪切比四波剪切干涉仪 - Google Patents
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Abstract
一种基于斐波那契光子筛的变剪切比四波剪切干涉仪，包括待测波前、斐波那契光子筛、小孔光阑、第一三维平移台、聚焦透镜、第二三维平移台、图像探测器、第三三维平移台和计算机，本发明从四波横向剪切干涉图中提取两正交方向的差分波前信息，结合波前重构算法，快速实现待测波前的高精度重构；本发明通过斐波那契光子筛实现四波剪切干涉仪剪切比的调节，可提高四波剪切干涉仪的波前检测精度，可扩展四波剪切干涉仪的应用范围，可简化四波剪切干涉仪的组成结构。
Description
技术领域
本发明涉及光学干涉检测领域，特别是一种基于斐波那契光子筛的变剪切比四波剪切干涉仪。
背景技术
四波剪切干涉技术是光学干涉检测领域的一种重要技术，该技术利用记录的单幅剪切干涉图提取差分波前信息，通过波前重构算法实现瞬态波前检测。在激光核聚变中，四波剪切干涉技术可实时检测激光束的空间特性，保证聚焦的尺寸达到点火要求；在天文领域中，四波剪切干涉技术可补偿天文望远镜进行天文观测成像中形成的波前畸变；在现代医学治疗中，四波剪切干涉技术可在目视医学中检测人眼波像差，为临床诊断及治疗提供可视化指导。四波剪切干涉技术在各个领域的应用日益增加，对四波剪切干涉仪的研究也日趋重要。
2000年，科学家J.Primot和N.Guérineau[Primot J,Guérineau N.Extendedhartmann test based on the pseudoguiding property of a hartmann maskcompleted by a phase chessboard.[J].Applied Optics,2000,39(31):5715-20]基于夏克-哈特曼波前传感器理论，提出了四波横向剪切干涉技术，其在原有的哈特曼光阑上叠加一个衍射光栅，以抑制一级以外衍射级次，增大四支自相干涉的衍射子波前衍射效率。传统的衍射光栅由熔石英刻蚀而成，由于X射线及极紫外波段下的强吸收性，传统光栅主要应用于光学波段。斐波那契光子筛[Zhang J.Three-dimensional array diffraction-limitedfoci from Greek ladders to generalized Fibonacci sequences[J].Opt.Express,2015,23(23):30308-30317]作为一种新型的衍射光学元件，可实现极紫外到软X射线波段的衍射分束，可用于短波下的四波剪切干涉系统。
本发明将斐波那契光子筛用于四波剪切干涉仪，通过记录待测波前通过斐波那契光子筛后的变剪切比四波横向剪切干涉图，利用差分波前相位提取法、剪切量标定法和波前重构算法实现待测波前的高精度复原，最终实现高精度动态波前检测。
发明内容
本发明提供一种基于斐波那契光子筛的变剪切比四波剪切干涉仪，以实现待测波前的高精度复原。该方法从记录的剪切干涉图中提取两正交方向的差分波前信息，再结合波前重构算法快速恢复得到待测波前，最终实现高精度的瞬态波前检测；该系统可记录得到具有不同剪切比的四波横向剪切干涉图，可提高四波剪切干涉仪的波前检测精度，可扩展四波剪切干涉仪的应用范围，可简化四波剪切干涉仪的组成结构。
本发明的技术解决方案
一种基于斐波那契光子筛的变剪切比四波剪切干涉仪，其特点在于,包括待测波前、斐波那契光子筛、小孔光阑、供小孔光阑放置的第一三维平移台、图像探测器、供图像探测器放置的第三三维平移台和计算机；
所述的斐波那契光子筛的两焦距分别为f1和f2，对应的一级衍射角分别为θ1和θ2，对应的第一焦面P1和第二焦面P2的间距为△z；所述的小孔光阑位于所述的第一焦面P1或所述的第二焦面P2位置；所述的斐波那契光子筛对所述的待测波前成像，且所述的图像探测器位于该斐波那契光子筛的像面位置；
所述的待测波前入射到所述的斐波那契光子筛后，经过所述的小孔光阑，到达所述的图像探测器，该图像探测器记录四波横向剪切干涉图；
所述的小孔光阑由“回”字形的八个小孔组成，内圈四个小孔孔距a1相同，且a1＝2f1θ1，内圈四个小孔孔径b1相同，且远大于艾里斑直径且不超过0.5a1；外圈四个小孔孔距a2相同，且a2＝2f2θ2，外圈四个小孔孔径b2相同，且远大于艾里斑直径且不超过0.5a2；
当所述的小孔光阑位于所述的第一焦面P1处，对应于第一衍射聚焦特性的所述的斐波那契光子筛的(±1，±1)级四支衍射光束通过所述的小孔光阑；当所述的小孔光阑位于所述的第二焦面P2处，对应于第二衍射聚焦特性的所述的斐波那契光子筛的(±1，±1)级四支衍射光束通过所述的小孔光阑；
所述的图像探测器的输出端与所述的计算机的输入端连接；所述的计算机具有数据记录采集与处理软件，用来存储四波横向剪切干涉图、提取所述的待测波前的两正交差分波前相位分布及重构所述的待测波前；
所述的基于斐波那契光子筛的变剪切比四波剪切干涉仪，其特点在于，还包括聚焦透镜和供聚焦透镜放置的第二三维平移台；所述的聚焦透镜与所述的斐波那契光子筛共焦，放置于所述的小孔光阑后方光路上，对所述的待测波前成像，且所述的图像探测器位于该聚焦透镜的像面位置；
所述的斐波那契光子筛具有多重衍射聚焦特性，用于产生不同剪切比的四波横向剪切干涉图；
所述的斐波那契光子筛为光子筛器件、波带片和具有多重衍射聚焦功能的其他调制器件；
利用所述的基于斐波那契光子筛的变剪切比四波剪切干涉仪重构所述的待测波前的方法，其特点在于，该方法包括下列步骤：
1)所述的待测波前依次经过所述的斐波那契光子筛、所述的小孔光阑和所述的聚焦透镜，到达所述的图像探测器；
移动所述的第一三维平移台、所述的第二三维平移台和所述的第三三维平移台，使所述的图像探测器记录两幅具有不同剪切比的四波横向剪切干涉图，并存储于所述的计算机中；
2)利用差分波前相位提取法和剪切量标定法，计算所述的待测波前的两正交差分波前相位分布和四波横向剪切干涉图的剪切量；
3)利用波前重构算法，恢复得到所述的待测波前的波前分布。
与现有技术相比，本发明的技术效果：
1)本发明结构简单，体积小，操作简单，对环境要求低。
2)本发明通过所述的斐波那契光子筛对待测波前进行衍射聚焦，因而可由所述的小孔光阑输出不同的衍射光束，从而实现四波剪切干涉仪剪切比的调节。
3)本发明可提高四波剪切干涉仪的波前检测精度，可扩展四波剪切干涉仪的应用范围，可简化四波剪切干涉仪的组成结构。
附图说明
图1为本发明基于斐波那契光子筛的变剪切比四波剪切干涉仪的结构示意图；
图2为本发明的斐波那契光子筛的结构示意图；
图3为本发明的记录的四波横向剪切干涉图；
图4为本发明的差分波前相位分布，其中，(a)为x方向差分波前相位分布，(b)为本发明的y方向差分波前相位分布；
图5为本发明的数值模拟图，其中，(a)为数值模拟中设定的待测波前分布图，(b)为待测波前恢复结果图，(c)为模拟结果误差图；
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1为本发明基于斐波那契光子筛的变剪切比四波剪切干涉仪的原理示意图,包括待测波前1、斐波那契光子筛2、小孔光阑3、供小孔光阑3放置的第一三维平移台4、图像探测器7、供图像探测器7放置的第三三维平移台8和计算机9；
述的斐波那契光子筛2的两焦距分别为f1和f2，对应的一级衍射角分别为θ1和θ2，对应的第一焦面P1和第二焦面P2的间距为△z；所述的小孔光阑3位于所述的第一焦面P1或所述的第二焦面P2位置；所述的斐波那契光子筛2对所述的待测波前1成像，且所述的图像探测器7位于该斐波那契光子筛2的像面位置；
所述的待测波前1入射到所述的斐波那契光子筛2后，经过所述的小孔光阑3，到达所述的图像探测器7，该图像探测器7记录四波横向剪切干涉图；
所述的小孔光阑3由“回”字形的八个小孔组成，内圈四个小孔孔距a1相同，且a1＝2f1θ1，内圈四个小孔孔径b1相同，且远大于艾里斑直径且不超过0.5a1；外圈四个小孔孔距a2相同，且a2＝2f2θ2，外圈四个小孔孔径b2相同，且远大于艾里斑直径且不超过0.5a2；
当所述的小孔光阑3位于所述的第一焦面P1处，对应于第一衍射聚焦特性的所述的斐波那契光子筛2的(±1，±1)级四支衍射光束通过所述的小孔光阑3；当所述的小孔光阑3位于所述的第二焦面P2处，对应于第二衍射聚焦特性的所述的斐波那契光子筛2的(±1，±1)级四支衍射光束通过所述的小孔光阑3；
所述的图像探测器7的输出端与所述的计算机9的输入端连接；所述的计算机9具有数据记录采集与处理软件，用来存储四波横向剪切干涉图、提取所述的待测波前1的两正交差分波前相位分布及重构所述的待测波前1；
所述的基于斐波那契光子筛的变剪切比四波剪切干涉仪，其特征在于，还包括聚焦透镜5和供聚焦透镜5放置的第二三维平移台6；所述的聚焦透镜5与所述的斐波那契光子筛2共焦，放置于所述的小孔光阑3后方光路上，对所述的待测波前1成像，且所述的图像探测器7位于该聚焦透镜5的像面位置；
所述的斐波那契光子筛2具有多重衍射聚焦特性，用于产生不同剪切比的四波横向剪切干涉图。
所述的斐波那契光子筛2为光子筛器件、波带片和具有多重衍射聚焦功能的其他调制器件。
利用所述的基于斐波那契光子筛的变剪切比四波剪切干涉仪重构所述的待测波前1的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
1)所述的待测波前1依次经过所述的斐波那契光子筛2、所述的小孔光阑3和所述的聚焦透镜5，到达所述的图像探测器7；
移动所述的第一三维平移台4、所述的第二三维平移台6和所述的第三三维平移台8，使所述的图像探测器7记录两幅具有不同剪切比的四波横向剪切干涉图，并存储于所述的计算机9中；
2)利用差分波前相位提取法和剪切量标定法，计算所述的待测波前1的两正交差分波前相位分布和四波横向剪切干涉图的剪切量；
3)利用波前重构算法，恢复得到所述的待测波前1的波前分布。
实施例1：
图像探测器7为CCD相机；图2为斐波那契光子筛的结构示意图，图3为记录得到的其中一幅四波横向剪切干涉图，图4(a)为x方向的差分波前相位分布，图4(b)为y方向的差分波前相位分布，图5(a)为数值模拟中设定的待测波前分布图，图5(b)为待测波前恢复结果，图5(c)为模拟结果误差图。具体实现基于斐波那契光子筛的变剪切比四波剪切干涉仪：如图1所示，包括待测波前1、斐波那契光子筛2、小孔光阑3、供小孔光阑3放置的第一三维平移台4、聚焦透镜5、供聚焦透镜5放置的第二三维平移台6、CCD相机7、供CCD相机7放置的第三三维平移台8和计算机9；
所述的斐波那契光子筛2的两焦距分别为f1和f2，对应的一级衍射角分别为θ1和θ2，对应的第一焦面P1和第二焦面P2的间距为△z；所述的小孔光阑3位于所述的第一焦面P1或所述的第二焦面P2位置；所述的聚焦透镜5与所述的斐波那契光子筛2共焦，放置于所述的小孔光阑3后方光路上，对所述的待测波前1成像，且所述的CCD相机7位于该聚焦透镜5的像面位置。
所述的待测波前1入射到所述的斐波那契光子筛2后，依次经过所述的小孔光阑3和所述的聚焦透镜5，到达所述的CCD相机7，该CCD相机7记录四波横向剪切干涉图；
所述的小孔光阑3由“回”字形的八个小孔组成，内圈四个小孔孔距a1相同，且a1＝2f1θ1，内圈四个小孔孔径b1相同，且远大于艾里斑直径且不超过0.5a1；外圈四个小孔孔距a2相同，且a2＝2f2θ2，外圈四个小孔孔径b2相同，且远大于艾里斑直径且不超过0.5a2；
当所述的小孔光阑3位于所述的第一焦面P1处，对应于第一衍射聚焦特性的所述的斐波那契光子筛2的(±1，±1)级四支衍射光束通过所述的小孔光阑3；当所述的小孔光阑)位于所述的第二焦面P2处，对应于第二衍射聚焦特性的所述的斐波那契光子筛2的(±1，±1)级四支衍射光束通过所述的小孔光阑3；
所述的CCD相机7的输出端与所述的计算机9的输入端连接；所述的计算机9具有数据记录采集与处理软件，用来存储四波横向剪切干涉图、提取所述的待测波前1的两正交差分波前相位分布及重构所述的待测波前1；
所述的斐波那契光子筛2为具有多重衍射聚焦特性的光子筛器件，用于产生不同剪切比的四波横向剪切干涉图；
利用所述的基于斐波那契光子筛的变剪切比四波剪切干涉仪重构所述的待测波前1的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
1)所述的待测波前1依次经过所述的斐波那契光子筛2、所述的小孔光阑3和所述的聚焦透镜5，到达所述的CCD相机7；
移动所述的第一三维平移台4、所述的第二三维平移台6和所述的第三三维平移台8，使所述的CCD相机7记录两幅具有不同剪切比的四波横向剪切干涉图I1(x1，y1)和I2(x2，y2)，并存储于所述的计算机9中，其中，(x1，y1)和(x2，y2)为所述的CCD相机7两记录面的空间坐标分布；
2)利用差分波前相位提取法，计算所述的待测波前1的x方向和y方向的差分波前相位分布
和
3)利用剪切量标定法，计算四波横向剪切干涉图I1(x1，y1)的剪切量s1和四波横向剪切干涉图I2(x2，y2)的剪切量s2；
4)利用最小二乘法傅里叶模式波前重构算法，计算所述的待测波前1于记录面(x1，y1)处的波前分布
公式如下：
利用最小二乘法傅里叶模式波前重构算法，计算所述的待测波前1于记录面(x2，y2)处的波前分布
公式如下：
其中，
和
为对应的频域坐标。
5)取波前分布
与
和的平均，得到待测波前1的高精度波前分布。
实验表明，本发明结构简单、对实验环境要求低、抗干扰能力强，可记录得到具有不同剪切比的四波横向剪切干涉图，可提高四波剪切干涉仪的波前检测精度，可简化四波剪切干涉仪的组成结构，可为相干光源下从X射线到太赫兹波段的四波剪切干涉检测提供新方案。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明。所应理解的是，以上所述的仅为本发明的具体实施案例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于斐波那契光子筛的变剪切比四波剪切干涉仪，其特征在于,包括待测波前(1)、斐波那契光子筛(2)、小孔光阑(3)、供小孔光阑(3)放置的第一三维平移台(4)、图像探测器(7)、供图像探测器(7)放置的第三三维平移台(8)和计算机(9)；
所述的斐波那契光子筛(2)的两焦距分别为f1和f2，对应的一级衍射角分别为θ1和θ2，对应的第一焦面P1和第二焦面P2的间距为△z；所述的小孔光阑(3)位于所述的第一焦面P1或所述的第二焦面P2位置；所述的斐波那契光子筛(2)对所述的待测波前(1)成像，且所述的图像探测器(7)位于该斐波那契光子筛(2)的像面位置；
所述的待测波前(1)入射到所述的斐波那契光子筛(2)后，经过所述的小孔光阑(3)，到达所述的图像探测器(7)，该图像探测器(7)记录四波横向剪切干涉图；
所述的小孔光阑(3)由“回”字形的八个小孔组成，内圈四个小孔孔距a1相同，且a1＝2f1θ1，内圈四个小孔孔径b1相同，且远大于艾里斑直径且不超过0.5a1；外圈四个小孔孔距a2相同，且a2＝2f2θ2，外圈四个小孔孔径b2相同，且远大于艾里斑直径且不超过0.5a2；
当所述的小孔光阑(3)位于所述的第一焦面P1处，对应于第一衍射聚焦特性的所述的斐波那契光子筛(2)的(±1，±1)级四支衍射光束通过所述的小孔光阑(3)；当所述的小孔光阑(3)位于所述的第二焦面P2处，对应于第二衍射聚焦特性的所述的斐波那契光子筛(2)的(±1，±1)级四支衍射光束通过所述的小孔光阑(3)；
所述的图像探测器(7)的输出端与所述的计算机(9)的输入端连接；所述的计算机(9)具有数据记录采集与处理软件，用来存储四波横向剪切干涉图、提取所述的待测波前(1)的两正交差分波前相位分布及重构所述的待测波前(1)。
2.利用权利要求1所述的基于斐波那契光子筛的变剪切比四波剪切干涉仪，其特征在于，还包括聚焦透镜(5)和供聚焦透镜(5)放置的第二三维平移台(6)；所述的聚焦透镜(5)与所述的斐波那契光子筛(2)共焦，放置于所述的小孔光阑(3)后方光路上，对所述的待测波前(1)成像，且所述的图像探测器(7)位于该聚焦透镜(5)的像面位置。
3.利用权利要求1所述的基于斐波那契光子筛的变剪切比四波剪切干涉仪，其特征在于，所述的斐波那契光子筛(2)具有多重衍射聚焦特性，用于产生不同剪切比的四波横向剪切干涉图。
4.利用权利要求3所述的基于斐波那契光子筛的变剪切比四波剪切干涉仪，其特征在于，所述的斐波那契光子筛(2)为光子筛器件、波带片和具有多重衍射聚焦功能的其他调制器件。
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- 2020-08-28 CN CN202010887578.9A patent/CN112013973B/zh active Active
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