CN113624453A - 基于超快显微成像的大口径光学元件高速检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于超快显微成像的大口径光学元件高速检测系统，其第一耦合器将宽光谱超快脉冲激光中一路发送给显微成像装置，另一路通过延迟线发送给第二耦合器；显微成像装置将宽光路超快脉冲激光分成多个具有不同波长的平行入射光信号，垂直入射至待测光学元件上不同位置处，从待测光学元件上不同位置处反射回或透射出的空间光信号被传输到第二耦合器；第二耦合器对延迟处理的宽光谱超快脉冲激光与空间光信号进行耦合，生成干涉信号；色散补偿光纤对干涉信号进行时域拉伸；探测器将时域拉伸后的干涉信号转换为干涉电信号；采集处理装置根据采集到的干涉电信号，确定待测光学元件上不同位置在任意时刻的瞬时相位。本系统检测范围较宽且效率高。

Description

基于超快显微成像的大口径光学元件高速检测系统

技术领域

本发明属于超快显微成像领域，具体涉及一种基于超快显微成像的大口径光学元件高速检测系统。

背景技术

目前，在对光学元件进行性能检测，例如对光学元件的形变进行检测时，通常利用单入射光信号逐一对光学元件上的各个待检测位置进行检测，检测范围较窄且效率较低。

发明内容

本发明提供一种基于超快显微成像的大口径光学元件高速检测系统，以解决目前光学元件的性能检测范围较窄且效率较低的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于超快显微成像的大口径光学元件高速检测系统，包括激光发生装置，用于产生宽光谱超快脉冲激光；

第一耦合器，用于将所述宽光谱超快脉冲激光分成两路，一路发送给显微成像装置，另一路通过延迟线发送给第二耦合器；

所述显微成像装置将所述宽光路超快脉冲激光分成多个具有不同波长的平行的入射光信号，使各个入射光信号垂直入射至待测光学元件上不同位置处，从所述待测光学元件上不同位置处反射回或透射出的空间光信号被传输到第二耦合器，针对所述待测光学元件上接收到入射光信号的各个位置，该位置处的相位信息被编码到从该位置处反射回或透射出的空间光信号中；

所述第二耦合器，对经所述延迟线延迟处理的宽光谱超快脉冲激光与所述空间光信号进行耦合，并将生成的干涉信号发送给色散补偿光纤；

所述色散补偿光纤对所述干涉信号进行时域拉伸；

探测器，对时域拉伸后的干涉信号进行探测并转换为干涉电信号；

采集处理装置，对所述干涉电信号进行采集，并对采集到的所述干涉电信号进行希尔伯特变换，将所述干涉电信号表示为复解析函数，根据所述复解析函数，计算出所述待测光学元件上不同位置在任意时刻的瞬时相位，从而解调出所述待测光学元件上不同位置在任意时刻的光程差变化。

在一种可选的实现方式中，利用所述光程差来表征所述待测光学元件上不同位置在入射光信号作用下，吸收热量造成的热损伤形变。

在另一种可选的实现方式中，所述激光发生装置包括依次相连的激光器、光放大器和非线性光纤，所述激入射光信号用于产生光谱范围为十几纳米，脉冲重复频率大于MHz的超快脉冲激光，所述光放大器对所述超快脉冲激光进行放大处理，所述非线性光纤对放大处理后的超快脉冲激光进行展宽，生成宽光谱超快脉冲激光。

在另一种可选的实现方式中，所述显微成像装置包括环形器、准直器、衍射光栅和透镜，所述环形器的第一端连接所述第一耦合器，用于接收所述宽光谱超快脉冲激光，从所述环形器的第二端输出的所述宽光谱超快脉冲激光经所述准直器准直后，传输给所述衍射光栅，所述衍射光栅将所述宽光路超快脉冲激光分成多个具有不同波长的入射光信号，所述多个入射光信号经所述透镜后，形成线形光信号，所述线形光信号垂直入射到待测光学元件上不同位置处，所述线形光信号由多个具有不同波长的平行入射光信号组成，由此实现所述光学元件的线扫描；

从所述待测光学元件上不同位置处反射回的空间光信号按照原路径传输到所述环形器的第二端，再从所述环形器的第三端传输至所述第二耦合器。

在另一种可选的实现方式中，所述显微成像装置包括依次相连的环形器、准直器、棱镜、虚拟成像相位阵列VIPA和衍射光栅，所述环形器的第一端连接所述第一耦合器，用于接收所述宽光谱超快脉冲激光，从所述环形器的第二端输出的所述宽光谱超快脉冲激光依次经所述准直器准直，所述棱镜聚焦后，传输给所述VIPA，由所述VIPA对所述宽光谱超快脉冲激光在入射平面进行空间色散，分成多个具有不同波长的入射光信号，所述多个入射光信号通过色散方向与所述VIPA正交的衍射光栅后，形成入射光信号阵列，所述入射光信号阵列垂直入射到所述待测光学元件上不同位置处，且所述入射光信号阵列由多个具有不同波长的平行入射光信号组成，由此实现所述光学元件的面扫描；从所述待测光学元件上不同位置处反射回的空间光信号按照原路径传输到所述环形器的第二端，再从所述环形器的第三端传输至第二耦合器。

在另一种可选的实现方式中，所述显微成像装置包括第一准直器、第一反射镜、第一衍射光栅、第一透镜、第二透镜、第二衍射光栅、第二反射镜和第二准直器，所述待测光学元件位于所述第一透镜与第二透镜之间，所述第一准直器与所述第一耦合器连接，用于接收所述述宽光谱超快脉冲激光，所述述宽光谱超快脉冲激光经所述第一准直器准直后，通过所述第一反射镜传输到所述第一衍射光栅，所述第一衍射光栅将所述宽光路超快脉冲激光分成多个具有不同波长的入射光信号，所述多个入射光信号经所述第一透镜后，形成线形光信号，所述线形光信号垂直入射到待测光学元件上不同位置处，所述线形光信号由多个具有不同波长的平行入射光信号组成，由此实现所述光学元件的线扫描；

从所述待测光学元件上不同位置处透射出的空间光信号通过所述第二透镜聚焦传输给所述第二衍射光栅，所述第二衍射光栅将所述空间光信号聚合在一起后，通过所述第二反射镜传输给所述第二准直器，经所述第二准直器准直后传输给所述第二耦合器；

所述第一准直器、第一反射镜、第一衍射光栅、第一透镜相对于所述待测光学元件分别与所述第二准直器、第二反射镜、第二衍射光栅、第二透镜对称分布。

在另一种可选的实现方式中，所述显微成像装置包括第一准直器、第一棱镜、第一VIPA、第一衍射光栅、第二衍射光栅、第二VIPA、第二棱镜和第二准直器，所述待测光学元件位于所述第一衍射光栅与第二衍射光栅之间，所述第一准直器与所述第一耦合器连接，用于接收所述述宽光谱超快脉冲激光，所述述宽光谱超快脉冲激光依次经所述第一准直器准直，所述第一棱镜聚焦后，传输给所述第一VIPA，由所述第一VIPA对所述宽光谱超快脉冲激光在入射平面进行空间色散，分成多个具有不同波长的入射光信号，所述多个入射光信号通过色散方向与所述第一VIPA正交的第一衍射光栅后，形成入射光信号阵列，所述入射光信号阵列垂直入射到所述待测光学元件上不同位置处，且所述入射光信号阵列由多个具有不同波长的平行入射光信号组成，由此实现所述光学元件的面扫描；

从所述待测光学元件上不同位置处透射出的空间光信号依次通过所述第二衍射光栅和所述第二VIPA聚合为一束空间光信号，该束空间光信号经所述第二棱镜分散后传输给所述第二准直器，该束空间光信号经所述第二准直器准直后传输给所述第二耦合器；

所述第一准直器、第一棱镜、第一VIPA、第一衍射光栅相对于所述待测光学元件分别与所述第二准直器、第二棱镜、第二VIPA、第二衍射光栅对称分布。

在另一种可选的实现方式中，还包括步进电机，设线形光信号所在的平面为第一平面，X轴位于该第一平面上且与各个入射光信号垂直，Z轴与各个入射光信号平行，Y轴同时垂直于该X轴和Z轴，所述待测光学元件位于线形光信号中至少部分入射光信号的正下方，以使线形光信号对所述待测光学元件进行X轴方向上的线扫描，所述步进电机带动所述待测光学元件沿着所述Y轴方向移动，从而对所述待测光学元件进行X-Y两个维度的面扫描。

在另一种可选的实现方式中，所述采集处理装置采集到的干涉电信号为x(t)，所述复解析函数为

根据所述复解析函数，计算出所述待测光学元件上不同位置在任意时刻的瞬时相位包括：

根据复解析函数的虚部、实部之比的反正切值

计算出所述待测光学元件上不同位置在任意时刻的瞬时相位y(t)。

在另一种可选的实现方式中，在所述显微成像装置中加入雾气，以模拟光学元件热损伤形变的快速变化。

本发明的有益效果是：

1、本发明在对光学元件进行检测时，首先利用激光发生装置产生宽光谱且超快的脉冲激光，宽光谱的脉冲激光传输到显微成像装置后，可以使显微成像装置对光学元件进行宽范围扫描，实现大口径光学元件的检测，超快的脉冲激光可以使显微成像装置对光学元件进行高效率扫描；利用显微成像装置将宽光谱超快脉冲激光分成多个具有不同波长的平行入射光信号，垂直入射至待测光学元件上不同位置处，由此根据入射光信号的波长大小可以确定待测光学元件上对应的位置，进而确定待测光学元件上对应位置的光程变化；将经延迟线延迟处理的宽光谱超快脉冲激光与光学元件上不同位置处反射回或透射出的空间光信号耦合后，对耦合生成的干涉信号进行时域拉伸，如此在不提高探测器提出采样率的前提下，仍能够保证光谱分辨率，使得采样率高达兆赫兹级；对探测器探测到的干涉电信号进行希尔伯特变换，将干涉电信号表示为复解析函数，根据复解析函数，计算出光学元件上不同位置在任意时刻的瞬时相位，从而解调出所述待测光学元件上不同位置在任意时刻的光程差变化，该光程差变化解调方法简单且可解调出光学元件上不同位置处的实时光程差变化，实现光程差(即形变)实时高速检测；

2、本发明在对光学元件进行性能检测，将平行入射光信号垂直入射到光学元件上后，光学元件的表面受到激光作用，吸收焦耳热，也会产生热膨胀形变，因此本发明可以利用所述光程差来表征所述待测光学元件上不同位置在入射光信号作用下，吸收热量造成的热损伤形变，即本发明在使光学元件发生热膨胀形变的同时，还可以对光学元件发生的热膨胀形变进行实时检测，避免了光学元件热膨胀形变形成过程和检测过程分别进行，从而提高了光学元件性能检测效率；

3、本发明显微成像装置中通过线扫描与机械移动扫描相结合的方式，以及光栅和虚拟相位阵列相结合的方式，可以对光学平面进行面扫描检测；

4、本发明提出了一种全新的光学元件热损伤性能检测方法，其在显微成像装置中加入雾气，以模拟光学元件热损伤形变的快速变化，在不使光学元件发生过大热损失形变的前提下，可以快速检测出光学元件在吸收较多热量后，其热损失性能是否满足要求。

附图说明

图1是本发明基于超快显微成像的大口径光学元件高速检测系统的结构示意图；

图2是本发明基于超快显微成像的大口径光学元件高速检测系统的一个实施例结构示意图；

图3是本发明基于超快显微成像的大口径光学元件高速检测系统的另一个实施例结构示意图；

图4是本发明基于超快显微成像的大口径光学元件高速检测系统的又一个实施例结构示意图；

图5是本发明基于超快显微成像的大口径光学元件高速检测系统的再一个实施例结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参见图1，为本发明基于超快显微成像的大口径光学元件高速检测系统的一个实施例结构示意图。该系统可以包括激光发生装置，用于产生宽光谱超快脉冲激光；第一耦合器，用于将所述宽光谱超快脉冲激光分成两路，一路发送给显微成像装置，另一路通过延迟线发送给第二耦合器；所述显微成像装置将所述宽光路超快脉冲激光分成多个具有不同波长的平行入射光信号，使各个入射光信号垂直入射至待测光学元件上不同位置处，从所述待测光学元件上不同位置处反射回或透射出的空间光信号被传输到第二耦合器，针对所述待测光学元件上接收到入射光信号的各个位置，该位置处的相位信息被编码到从该位置处反射回或透射出的空间光信号中；所述第二耦合器，对经所述延迟线延迟处理的宽光谱超快脉冲激光与所述空间光信号进行耦合，并将生成的干涉信号发送给色散补偿光纤(例如色散系数为-215ps/km﹒nm的色散补偿光纤)；所述色散补偿光纤对所述干涉信号进行时域拉伸；探测器，对时域拉伸后的干涉信号进行探测并转换为干涉电信号；采集处理装置(例如计算机和采样率为12Gsa/s的高速示波器，该高速示波器的采样时间大于经过色散补偿光线拉伸后的脉冲时间，计算机对采集到的干涉电信号进行数据处理)，对所述干涉电信号进行采集，并对采集到的所述干涉电信号进行希尔伯特变换，将所述干涉电信号表示为复解析函数，根据所述复解析函数，计算出所述待测光学元件上不同位置在任意时刻的瞬时相位，从而解调出所述待测光学元件上不同位置在任意时刻的光程差变化。

本实施例中，由于大口径光学元件表面的输出功率较大，光学元件工作中局部可能因吸收焦耳热形成高温高压，从而使光学元件的表面产生热膨胀，造成热损伤形变。目前，在对光学元件进行热损伤检测时，需要先对光学元件进行加热，使其表面发生热膨胀，此后再对其表面因热膨胀发生形变进行检测。显然，目前光学元件的热损伤形变检测效率较低。本发明在对光学元件进行性能检测，将平行入射光信号垂直入射到光学元件上后，光学元件的表面受到激光作用，吸收焦耳热，也会产生热膨胀形变，因此本发明可以利用所述光程差来表征所述待测光学元件上不同位置在入射光信号作用下，吸收热量造成的热损伤形变，即本发明在使光学元件发生热膨胀形变的同时，还可以对光学元件发生的热膨胀形变进行实时检测，避免了光学元件热膨胀形变形成过程和检测过程分别进行，从而提高了光学元件性能检测效率。

此外，本发明在对光学元件进行检测时，首先利用激光发生装置产生宽光谱且超快的脉冲激光，宽光谱的脉冲激光传输到显微成像装置后，可以使显微成像装置对光学元件进行宽范围扫描，实现大口径光学元件的检测，超快的脉冲激光可以使显微成像装置对光学元件进行高效率扫描；利用显微成像装置将宽光谱超快脉冲激光分成多个具有不同波长的平行入射光信号，垂直入射至待测光学元件上不同位置处，由此根据入射光信号的波长大小可以确定待测光学元件上对应的位置，进而确定待测光学元件上对应位置的光程变化；将经延迟线延迟处理的宽光谱超快脉冲激光与光学元件上不同位置处反射回或透射出的空间光信号耦合后，对耦合生成的干涉信号进行时域拉伸，如此在不提高探测器提出采样率的前提下，仍能够保证光谱分辨率，使得采样率高达兆赫兹级；对探测器探测到的干涉电信号进行希尔伯特变换，将干涉电信号表示为复解析函数，根据复解析函数，计算出光学元件上不同位置在任意时刻的瞬时相位，从而解调出所述待测光学元件上不同位置在任意时刻的光程差变化，该光程差变化解调方法简单且可解调出光学元件上不同位置处的实时光程差变化，实现光程差(即形变)实时高速检测。

其中，为产生宽光谱超快脉冲激光，所述激光发生装置可以包括依次相连的激光器、光放大器和非线性光纤，所述激入射光信号用于产生光谱范围为十几纳米，脉冲重复频率大于兆赫兹MHz的超快脉冲激光，所述光放大器对所述超快脉冲激光进行放大处理，所述非线性光纤对放大处理后的超快脉冲激光进行展宽，生成宽光谱超快脉冲激光。例如，该激光器可以为中心波长为1565nm，光谱带宽为13nm，重复频率为7.4MHz的超快脉冲激光器，该超快脉冲激光经光放大器放大到150mW后传输至非线形光纤，通过自相位调制、四波混频等实现超快脉冲激光展宽，获得宽光谱超快脉冲激光。另外，所述采集处理装置采集到的干涉电信号可以为x(t)，所述复解析函数可以为

根据所述复解析函数，计算出所述待测光学元件上不同位置在任意时刻的瞬时相位包括：根据复解析函数的虚部、实部之比的反正切值

计算出所述待测光学元件上不同位置在任意时刻的瞬时相位y(t)。

在一个实施例中，参见图2所示，图2所示实施例与图1所示实施例的区别在于，所述显微成像装置具体为反射式线扫描空间光路，所述显微成像装置可以包括环形器、准直器、衍射光栅和透镜，所述环形器的第一端连接所述第一耦合器(例如90：10的第一耦合器，其分成的两路宽光谱超快脉冲激光，功率较低的一路通过延迟线传输给第二耦合器，功率高的一路传输给环形器的第一端)，用于接收所述宽光谱超快脉冲激光，从所述环形器的第二端输出的所述宽光谱超快脉冲激光经所述准直器准直后，传输给所述衍射光栅(例如采用1200线的衍射光栅进行色散，衍射光栅的一阶衍射光通过透镜垂直入射到待测光学元件上)，所述衍射光栅将所述宽光路超快脉冲激光分成多个具有不同波长的入射光信号，所述多个入射光信号经所述透镜后，形成线形光信号，所述线形光信号垂直入射到待测光学元件上不同位置处，所述线形光信号由多个具有不同波长的平行入射光信号组成，由此实现所述光学元件的线扫描；从所述待测光学元件上不同位置处反射回的空间光信号按照原路径传输到所述环形器的第二端，再从所述环形器的第三端传输至所述第二耦合器(例如1：1的第二耦合器)。利用本实施例中显微成像装置，仅能实现光学元件的线扫描，为了实现光学元件的面扫描，还可以包括步进电机，设线形光信号所在的平面为第一平面，X轴位于该第一平面上且与各个入射光信号垂直，Z轴与各个入射光信号平行，Y轴同时垂直于该X轴和Z轴，所述待测光学元件位于线形光信号中至少部分入射光信号的正下方，以使线形光信号对所述待测光学元件进行X轴方向上的线扫描，所述步进电机带动所述待测光学元件沿着所述Y轴方向移动，从而对所述待测光学元件进行X-Y两个维度的面扫描。

在另一个实施例中，参见图3所示，图3所示实施例与图1所示实施例的区别在于，所述显微成像装置具体为反射式面扫描空间光路，所述显微成像装置可以包括依次相连的环形器、准直器、棱镜、虚拟成像相位阵列VIPA和衍射光栅，所述环形器的第一端连接所述第一耦合器，用于接收所述宽光谱超快脉冲激光，从所述环形器的第二端输出的所述宽光谱超快脉冲激光依次经所述准直器准直，所述棱镜聚焦后，传输给所述VIPA，由所述VIPA对所述宽光谱超快脉冲激光在入射平面进行空间色散，分成多个具有不同波长的入射光信号，所述多个入射光信号通过色散方向与所述VIPA正交的衍射光栅后，形成入射光信号阵列，所述入射光信号阵列垂直入射到所述待测光学元件上不同位置处，且所述入射光信号阵列由多个具有不同波长的平行入射光信号组成，由此实现所述光学元件的面扫描；从所述待测光学元件上不同位置处反射回的空间光信号按照原路径传输到所述环形器的第二端，再从所述环形器的第三端传输至第二耦合器。

在又一个实施例中，参见图4示，图4所示实施例与图1所示实施例的区别在于，所述显微成像装置具体为透射式线扫描空间光路，所述显微成像装置可以包括第一准直器、第一反射镜、第一衍射光栅、第一透镜、第二透镜、第二衍射光栅、第二反射镜和第二准直器，所述待测光学元件位于所述第一透镜与第二透镜之间，所述第一准直器与所述第一耦合器连接，用于接收所述述宽光谱超快脉冲激光，所述述宽光谱超快脉冲激光经所述第一准直器准直后，通过所述第一反射镜传输到所述第一衍射光栅，所述第一衍射光栅将所述宽光路超快脉冲激光分成多个具有不同波长的入射光信号，所述多个入射光信号经所述第一透镜后，形成线形光信号，所述线形光信号垂直入射到待测光学元件上不同位置处，所述线形光信号由多个具有不同波长的平行入射光信号组成，由此实现所述光学元件的线扫描；从所述待测光学元件上不同位置处透射出的空间光信号通过所述第二透镜聚焦传输给所述第二衍射光栅，所述第二衍射光栅将所述空间光信号聚合在一起后，通过所述第二反射镜传输给所述第二准直器，经所述第二准直器准直后传输给所述第二耦合器；所述第一准直器、第一反射镜、第一衍射光栅、第一透镜相对于所述待测光学元件分别与所述第二准直器、第二反射镜、第二衍射光栅、第二透镜对称分布。利用本实施例中显微成像装置，仅能实现光学元件的线扫描，为了实现光学元件的面扫描，还可以包括步进电机，设线形光信号所在的平面为第一平面，X轴位于该第一平面上且与各个入射光信号垂直，Z轴与各个入射光信号平行，Y轴同时垂直于该X轴和Z轴，所述待测光学元件位于线形光信号中至少部分入射光信号的正下方，以使线形光信号对所述待测光学元件进行X轴方向上的线扫描，所述步进电机带动所述待测光学元件沿着所述Y轴方向移动，从而对所述待测光学元件进行X-Y两个维度的面扫描。

在再一个实施例中，参见图5示，图5所示实施例与图1所示实施例的区别在于，所述显微成像装置具体为透射式面扫描空间光路，所述显微成像装置可以包括第一准直器、第一棱镜、第一VIPA、第一衍射光栅、第二衍射光栅、第二VIPA、第二棱镜和第二准直器，所述待测光学元件位于所述第一衍射光栅与第二衍射光栅之间，所述第一准直器与所述第一耦合器连接，用于接收所述述宽光谱超快脉冲激光，所述述宽光谱超快脉冲激光依次经所述第一准直器准直，所述第一棱镜聚焦后，传输给所述第一VIPA，由所述第一VIPA对所述宽光谱超快脉冲激光在入射平面进行空间色散，分成多个具有不同波长的入射光信号，所述多个入射光信号通过色散方向与所述第一VIPA正交的第一衍射光栅后，形成入射光信号阵列，所述入射光信号阵列垂直入射到所述待测光学元件上不同位置处，且所述入射光信号阵列由多个具有不同波长的平行入射光信号组成，由此实现所述光学元件的面扫描；从所述待测光学元件上不同位置处透射出的空间光信号依次通过所述第二衍射光栅和所述第二VIPA聚合为一束空间光信号，该束空间光信号经所述第二棱镜分散后传输给所述第二准直器，该束空间光信号经所述第二准直器准直后传输给所述第二耦合器；所述第一准直器、第一棱镜、第一VIPA、第一衍射光栅相对于所述待测光学元件分别与所述第二准直器、第二棱镜、第二VIPA、第二衍射光栅对称分布。上述几个实施例的显微成像装置中，本发明通过线扫描与机械移动扫描相结合的方式，以及光栅和虚拟相位阵列相结合的方式，可以对光学平面进行面扫描检测。

虽然上述实施例，在使光学元件发生热膨胀形变的同时，还可以对光学元件发生的热膨胀形变进行实时检测，避免了光学元件热膨胀形变形成过程和检测过程分别进行，从而提高了光学元件性能检测效率。但是，光学元件吸收光信号发生热膨胀形变需要较长时间，且若真实地对光学元件进行加热，从而检测其热膨胀状态，那么光学元件会遭到热损伤。为了缩短热损伤形变检测时间，避免热损伤形变检测中光学元件发生过大的形变，本发明还提出在显微成像装置中加入雾气，以模拟光学元件热损伤形变的快速变化。具体地，当光学元件吸收对应量热量H1后，其热损伤形变为T1，对应检测得到的光程差为D1时，若光学元件吸收热量为H2，少于H1，加入对应量的雾气，可以使检测得到的光程差等于D1，但此时光学元件的热损伤形变为T2，小于T1，由此将光学元件的热损伤形变与加入的雾气相结合，可以使检测得到的光程差快速达到所需的对应数值，而不会对光学元件造成过大的热损伤形变。基于此，用户若对光学元件在吸收热量H1后的热损伤形变进行检测，那么用户可以在光学元件吸收热量H2(少于H1)，使光学元件发生形变小于T1时，注入对应量的雾气，使理论上检测得到的光程差为D1，将实际检测到的光程差D1’与D1进行比较，若D1’小于或者等于D1的对应上限值，则确定光学元件在吸收该热量H1后，其热损伤性能良好，否则确定光学元件在吸收该热量H1后，其热损伤性能较差。可见，本发明提出了一种全新的光学元件热损伤性能检测方法，其在不使光学元件发生过大热损失形变的前提下，可以快速检测出光学元件在吸收较多热量后，其热损失性能是否满足要求。

在上述实施例中，该检测系统的视场大小主要由色散元件的色散能力，显微物镜的焦距和光源光谱带宽共同决定。实现大口径光学元件的检测，要求视场直径大于30cm，这就需要使用宽光谱光源，配合合适色散的空间色散元件以及物镜焦距。波长分辨能力主要由以下几个因素决定：一是色散元件的色散能力，二是色散傅里叶变换(DFT)的光谱分辨能力，三是探测器、高速示波器等数字器件的带宽决定的光谱分辨能力。系统总的光谱分辨能力由以上三个参数中数值最大的决定。系统扫描速率主要由光源的脉冲频率决定，通常超快激光的脉冲频率大于兆赫兹，因此扫描速率可以达到微秒级。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来管制。

Claims (10)

1.一种基于超快显微成像的大口径光学元件高速检测系统，其特征在于，包括激光发生装置，用于产生宽光谱超快脉冲激光；

第一耦合器，用于将所述宽光谱超快脉冲激光分成两路，一路发送给显微成像装置，另一路通过延迟线发送给第二耦合器；

所述显微成像装置将所述宽光路超快脉冲激光分成多个具有不同波长的平行的入射光信号，使各个入射光信号垂直入射至待测光学元件上不同位置处，从所述待测光学元件上不同位置处反射回或透射出的空间光信号被传输到第二耦合器，针对所述待测光学元件上接收到入射光信号的各个位置，该位置处的相位信息被编码到从该位置处反射回或透射出的空间光信号中；

所述第二耦合器，对经所述延迟线延迟处理的宽光谱超快脉冲激光与所述空间光信号进行耦合，并将生成的干涉信号发送给色散补偿光纤；

所述色散补偿光纤对所述干涉信号进行时域拉伸；

探测器，对时域拉伸后的干涉信号进行探测并转换为干涉电信号；

采集处理装置，对所述干涉电信号进行采集，并对采集到的所述干涉电信号进行希尔伯特变换，将所述干涉电信号表示为复解析函数，根据所述复解析函数，计算出所述待测光学元件上不同位置在任意时刻的瞬时相位，从而解调出所述待测光学元件上不同位置在任意时刻的光程差变化。

2.根据权利要求1所述的基于超快显微成像的大口径光学元件高速检测系统，其特征在于，利用所述光程差来表征所述待测光学元件上不同位置在入射光信号作用下，吸收热量造成的热损伤形变。

3.根据权利要求1所述的基于超快显微成像的大口径光学元件高速检测系统，其特征在于，所述激光发生装置包括依次相连的激光器、光放大器和非线性光纤，所述激入射光信号用于产生光谱范围为十几纳米，脉冲重复频率大于MHz的超快脉冲激光，所述光放大器对所述超快脉冲激光进行放大处理，所述非线性光纤对放大处理后的超快脉冲激光进行展宽，生成宽光谱超快脉冲激光。

4.根据权利要求1所述的基于超快显微成像的大口径光学元件高速检测系统，其特征在于，所述显微成像装置包括环形器、准直器、衍射光栅和透镜，所述环形器的第一端连接所述第一耦合器，用于接收所述宽光谱超快脉冲激光，从所述环形器的第二端输出的所述宽光谱超快脉冲激光经所述准直器准直后，传输给所述衍射光栅，所述衍射光栅将所述宽光路超快脉冲激光分成多个具有不同波长的入射光信号，所述多个入射光信号经所述透镜后，形成线形光信号，所述线形光信号垂直入射到待测光学元件上不同位置处，所述线形光信号由多个具有不同波长的平行入射光信号组成，由此实现所述光学元件的线扫描；

从所述待测光学元件上不同位置处反射回的空间光信号按照原路径传输到所述环形器的第二端，再从所述环形器的第三端传输至所述第二耦合器。

5.根据权利要求1所述的基于超快显微成像的大口径光学元件高速检测系统，其特征在于，所述显微成像装置包括依次相连的环形器、准直器、棱镜、虚拟成像相位阵列VIPA和衍射光栅，所述环形器的第一端连接所述第一耦合器，用于接收所述宽光谱超快脉冲激光，从所述环形器的第二端输出的所述宽光谱超快脉冲激光依次经所述准直器准直，所述棱镜聚焦后，传输给所述VIPA，由所述VIPA对所述宽光谱超快脉冲激光在入射平面进行空间色散，分成多个具有不同波长的入射光信号，所述多个入射光信号通过色散方向与所述VIPA正交的衍射光栅后，形成入射光信号阵列，所述入射光信号阵列垂直入射到所述待测光学元件上不同位置处，且所述入射光信号阵列由多个具有不同波长的平行入射光信号组成，由此实现所述光学元件的面扫描；从所述待测光学元件上不同位置处反射回的空间光信号按照原路径传输到所述环形器的第二端，再从所述环形器的第三端传输至第二耦合器。

6.根据权利要求1所述的基于超快显微成像的大口径光学元件高速检测系统，其特征在于，所述显微成像装置包括第一准直器、第一反射镜、第一衍射光栅、第一透镜、第二透镜、第二衍射光栅、第二反射镜和第二准直器，所述待测光学元件位于所述第一透镜与第二透镜之间，所述第一准直器与所述第一耦合器连接，用于接收所述述宽光谱超快脉冲激光，所述述宽光谱超快脉冲激光经所述第一准直器准直后，通过所述第一反射镜传输到所述第一衍射光栅，所述第一衍射光栅将所述宽光路超快脉冲激光分成多个具有不同波长的入射光信号，所述多个入射光信号经所述第一透镜后，形成线形光信号，所述线形光信号垂直入射到待测光学元件上不同位置处，所述线形光信号由多个具有不同波长的平行入射光信号组成，由此实现所述光学元件的线扫描；

从所述待测光学元件上不同位置处透射出的空间光信号通过所述第二透镜聚焦传输给所述第二衍射光栅，所述第二衍射光栅将所述空间光信号聚合在一起后，通过所述第二反射镜传输给所述第二准直器，经所述第二准直器准直后传输给所述第二耦合器；

所述第一准直器、第一反射镜、第一衍射光栅、第一透镜相对于所述待测光学元件分别与所述第二准直器、第二反射镜、第二衍射光栅、第二透镜对称分布。

7.根据权利要求1所述的基于超快显微成像的大口径光学元件高速检测系统，其特征在于，所述显微成像装置包括第一准直器、第一棱镜、第一VIPA、第一衍射光栅、第二衍射光栅、第二VIPA、第二棱镜和第二准直器，所述待测光学元件位于所述第一衍射光栅与第二衍射光栅之间，所述第一准直器与所述第一耦合器连接，用于接收所述述宽光谱超快脉冲激光，所述述宽光谱超快脉冲激光依次经所述第一准直器准直，所述第一棱镜聚焦后，传输给所述第一VIPA，由所述第一VIPA对所述宽光谱超快脉冲激光在入射平面进行空间色散，分成多个具有不同波长的入射光信号，所述多个入射光信号通过色散方向与所述第一VIPA正交的第一衍射光栅后，形成入射光信号阵列，所述入射光信号阵列垂直入射到所述待测光学元件上不同位置处，且所述入射光信号阵列由多个具有不同波长的平行入射光信号组成，由此实现所述光学元件的面扫描；

从所述待测光学元件上不同位置处透射出的空间光信号依次通过所述第二衍射光栅和所述第二VIPA聚合为一束空间光信号，该束空间光信号经所述第二棱镜分散后传输给所述第二准直器，该束空间光信号经所述第二准直器准直后传输给所述第二耦合器；

所述第一准直器、第一棱镜、第一VIPA、第一衍射光栅相对于所述待测光学元件分别与所述第二准直器、第二棱镜、第二VIPA、第二衍射光栅对称分布。

8.根据权利要求4或6所述的基于超快显微成像的大口径光学元件高速检测系统，其特征在于，还包括步进电机，设线形光信号所在的平面为第一平面，X轴位于该第一平面上且与各个入射光信号垂直，Z轴与各个入射光信号平行，Y轴同时垂直于该X轴和Z轴，所述待测光学元件位于线形光信号中至少部分入射光信号的正下方，以使线形光信号对所述待测光学元件进行X轴方向上的线扫描，所述步进电机带动所述待测光学元件沿着所述Y轴方向移动，从而对所述待测光学元件进行X-Y两个维度的面扫描。

9.根据权利要求1所述的基于超快显微成像的大口径光学元件高速检测系统，其特征在于，所述采集处理装置采集到的干涉电信号为x(t)，所述复解析函数为

根据所述复解析函数，计算出所述待测光学元件上不同位置在任意时刻的瞬时相位包括：

根据复解析函数的虚部、实部之比的反正切值

计算出所述待测光学元件上不同位置在任意时刻的瞬时相位y(t)。

10.根据权利要求2所述的基于超快显微成像的大口径光学元件高速检测系统，其特征在于，在所述显微成像装置中加入雾气，以模拟光学元件热损伤形变的快速变化。

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