CN115560848A - 基于超表面径向剪切的强度-波前-波长测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于超表面径向剪切的强度‑波前‑波长测量仪，包括1/4波片、超表面径向剪切干涉板、CCD图像传感器、位移装置、强度‑波前‑波长重建单元。重建单元从干涉图样上重建出入射光束的强度、波前和波长信息，包括由瑞利‑索末菲衍射，得干涉图样强度分布表达式；由干涉图样强度分布表达式中干涉条纹的环形间距计算得到入射波长λ；根据干涉图样中圆环形载频模式，解出波前相位差；根据干涉板分出两束孔径不同波前的相似性，采用基于Zernike多项式的模式波前重构算法，重构待测波前；按路径反推得到入射波前的复振幅，从而得到强度分布和波前分布。本发明具有高空间分辨率、高光学效率、剪切率和动态范围可调、结构简单、体积小、集成度高、精度高、速度快、不易受环境干扰的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光学探测技术领域，更具体的说，本发明涉及一种基于超表面径向剪切的强度-波前-波长测量仪。
背景技术
激光武器在光电对抗、防空和战略防御中可发挥独特作用，是极有可能改变未来战争模式的武器系统。但是激光系统在使用中，光学元件热效应或大气扰动等都会造成波前畸变，引起焦斑强度分布改变，进而降低毁伤效果。根据光束质量对激光波前进行矫正，是降低不利影响、提升装备效能的重要手段。因此，精确、快速的光斑检测装备需求迫切。
目前光束质量的检测主要包括光斑表征和波前检测两大类。光斑表征主要测试光斑的强度分布，可作为激光聚焦效果的评价依据；而波前检测通过检测激光在传播中的波前信息，通过算法不仅可重构焦斑尺寸和能量分布，更重要的是可为激光波前补偿提供依据，为实现激光的高效聚焦提供支撑。
空间光场分布E(r)可以由实振幅分布A(r)和相位分布
描述。由电磁场亥姆霍兹波动方程可知,振幅和相位存在着相互耦合关系。还可看出强度分布仅反映静态能量分布，波前
则反映光场能量在空间中的分布及能量流动；二者共同决定光束的传播。因此，单一的强度分布检测，无法准确描述光束质量。
激光光束的强度分布、波前和瞬时波长对激光应用至关重要。然而，当前的光斑检测和波前传感技术都无法同时获取激光束的强度分布、波前与波长信息：
1.基于不同测量原理的光束轮廓仪，例如CCD和CMOS相机或旋转的刀口或狭缝，只能在允许的光束半径、光功率范围和波长范围内，有限的固定平面上获得光束强度分布。典型产品是典型产品为以色列DUMA公司的Beamon 系列CCD光束轮廓分析仪。这些方法只能获得静态能量分布；并且由于探针或像元尺寸制约，测量分辨率不高；探测器噪声等因素也造成测量精度不高。
2.Hartmann波前传感、相位反演、曲率传感、干涉法等波前测试技术可以在恢复波前的同时，有恢复强度分布的能力，但目前均是基于给定波长的情况下，进行波前恢复。当光源波长有波动时，会对强度分布和波前恢复的结果带来较大误差。
3.基于剪切干涉技术的波前测试方法利用的是光的干涉效应，具有比其他检测方法更高的检测精度。特别是径向剪切干涉波前探测技术具有比点衍射干涉和横向剪切干涉技术更多优势，是近年来波前检测的重要研究方向。但是，其结构复杂、剪切率调节困难、不能解算波长动态变化信息等问题仍是制约其实用化的重要因素。
现有光束质量分析以强度检测为主；波前是光束质量的重要指标；将强度与波前结合，利用强度与波前的相关性和自洽性，可以降低强度噪声影响，提高强度检测精度和分辨率。因此，强度与波前检测的结合是提高光斑检测精度的有效途径，是光束精确调控的前提。
因此，亟待开发一种能快速同步测量光束强度、波前和波长的光束质量分析装备，为激光束的精确调控提供依据，为大幅提升激光武器系统的作战效能提供坚实的支撑。
现有光束质量测量系统仅仅能够获取光强度分布相关信息，而强度测量准确性容易受到探测器噪声等因素影响。波前测量可以在获取波前信息的同时，获取光束强度分布，通过两者的相关性和自洽性，有望极大提高强度分布测量精确性。然而，现有波前测量系统存在体积大、元件较多、集成化低、精度较低、速度慢、无法实现动态波前与波长检测等问题。体积大、元件较多、集成化低导致了波前测量容易受到环境因素(如温度、震动)的影响，难以在复杂工作环境实现快速高精度的波前和强度分布测量；同时，现有系统在波前测量时，无法同步进行准确波长测量(假定已知光束波长)，因而激光光束波长波动，必然对波前准确测量造成极大的困难。上述问题极大地限制了光束质量测量的准确性。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提供一种高精度光束强度-波前-波长同步检测仪器，本发明基于超表面径向剪切干涉原理，采用超表面结构径向剪切干涉板，取代传统体式光学元件，同时结合强度、波前和波长重建算法，以实现光束强度、波前和波长的快速同步测量。
本发明的技术方案如下：
本发明提出的基于超表面径向剪切的强度-波前-波长测量仪，包括1/4波片、超表面径向剪切干涉板、CCD图像传感器、位移装置、强度-波前-波长的重建单元。所述1/4波片用于将入射激光转换为圆偏振光送入超表面径向剪切干涉板，所述超表面径向剪切干涉板将圆偏振光分为两束孔径不同而面形一致的波前，在所述CCD图像传感器上形成干涉图样，所述强度-波前-波长的重建单元从干涉图样上重建出入射光束的强度、波前和波长信息；所述位移装置用于调节所述CCD图像传感器和所述超表面径向剪切干涉板之间距离，从而改变剪切率。
本发明中，采用了特殊结构的超表面径向剪切干涉板，其是将两个不同焦距的超表面光学透镜集成为一体而构成；所述超表面光学透镜是以相位调控超表面单元结构为基本单元结构，所述相位调控超表面单元结构按照两种不同的相位调控参数，交错排列成宽度小于等于λ/2的同心圆环带结构，两个超表面光学透镜分别占据奇数与偶数环带，形成所述径向剪切干涉板。
本发明中，由所述强度-波前-波长的重建单元采用特殊的方法从干涉图样上重建出入射光束的强度、波前和波长信息，包括如下过程：
干涉图样解析：由瑞利-索末菲衍射，得干涉图样强度分布表达式；
波长重建：由干涉图样强度分布表达式中干涉条纹的环形间距计算得到入射波长λ；
求解波前差：根据干涉图样中圆环形载频模式，解出波前相位差；
基于Zernike多项式重构波前：根据径向剪切干涉板分出两束孔径不同波前的相似性，采用基于Zernike多项式的模式波前重构算法，重构待测波前；
按路径反推得到入射波前的复振幅；
波前和强度分布重建，从而得到强度分布和波前分布。
本发明具有如下优点：
1.本发明利用超表面结构径向剪切干涉板，取代传统体式光学元件，具有高空间分辨率、高光学效率、超薄、超轻、易于集成的优点。
2.本发明利用位移装置可以调节CCD图像传感器和超表面径向剪切干涉板之间距离，从而调节剪切率，检测的动态范围高。
3.本发明的强度-波前-波长的重建单元采用的重建方法，实现光束强度、波前和波长的快速同步测量，利用三者数据的相关性和自洽性，不但可以极大地提高光束质量检测准确性，而且能同时提供所检测光束的强度、波前和波长动态变化信息，为激光光束质量测量提供了更为准确和不可或缺关键参数，可满足复杂环境下实时、精确的激光光束质量动态测量的要求。
4.本发明具有结构简单、体积小、集成度高、精度高、速度快、不易受环境干扰的优点，可以为激光束的精确调控提供依据，为大幅提升激光武器系统的作战效能提供坚实的支撑。
总之，本发明具有高空间分辨率、高光学效率、剪切率和动态范围可调、结构简单、体积小、集成度高、精度高、速度快、不易受环境干扰的优点。不但可以极大地提高光束质量检测准确性，而且能同时提供所检测光束的强度、波前和波长动态变化信息，为激光光束质量测量提供了更为准确和不可或缺的关键参数，可满足复杂环境下实时、精确的激光光束质量动态测量的要求，可广泛应用于激光武器、惯性约束聚变、激光导星、激光探测、激光加工、自适应光学等领域。
附图说明
图1基于径向剪切的强度-波前-波长测量仪组成结构图。
图2是超表面径向剪切干涉板工作原理示意图。
图3a PB相位光学超表面单元结构图。
图3b PB相位光学超表面单元结构相位和振幅透射率调控曲线图。
图4超表面径向剪切干涉板局部放大后的超表面结构单元阵列示意图。
图5是采用理想平面波照明时，不同剪切比情况下的干涉条纹图。
图6基于超表面径向剪切的强度-波前-波长测量方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
本发明提出的基于径向剪切的强度-波前-波长测量仪的结构如图1所示，其包括1/4波片2、超表面径向剪切干涉板3、CCD图像传感器6、位移装置7 和强度-波前-波长的重建单元8。
所述1/4波片2、超表面径向剪切干涉板3和CCD图像传感器6依次布置在光路上，被检测光束波前1通过1/4波片2进入超表面径向剪切干涉板3，超表面径向剪切干涉板3将圆偏振光分为两束孔径不同而面形一致的波前4和5，在 CCD图像传感器6上形成干涉图样。
所述强度-波前-波长的重建单元8以软件形式安装在电脑终端上，从CCD 图像传感器6获取的干涉图形信号，强度-波前-波长重建单元8对获取的干涉图形信号进行处理分析，最终实现入射光束、波前和波长的重建，并完成光束质量相关参数的提取和分析。
位移装置7与CCD图像传感器6连接，利用位移装置7可以调节CCD图像传感器6和超表面径向剪切干涉板3之间距离，从而调节剪切率，提高检测的动态范围。另外，不同的测量距离会影响径向剪切干涉图的对比度，当测量不同大小的待测波前时，可以调整剪切板与探测器之间的距离，使入射的待测波前在测量动态范围之内。如果测量距离增大，会导致在有效干涉孔径内，缩小光束能量增加，扩大光束能量减小，从而使干涉条纹的对比度下降。另外，如果测量距离过小，会使缩小光束和扩大光束剪切之后的相位差太小，使灵敏度下降，测量精度降低，因此必须精确控制测量距离(即调节剪切率)。合理的设置剪切率可以得到密度和对比度都较佳的干涉条纹。
该测量仪的工作原理是：待测光束通过1/4波片进入径向剪切模块，在相机探测面上形成干涉图形；根据索墨菲瑞利衍射公式，从衍射光斑图形中提取波长信息，得干涉图样强度分布表达式；由干涉图样强度分布表达式中干涉条纹的环形间距计算得到入射波长λ；根据干涉图样中圆环形载频模式，解出波前相位差；根据干涉板分出两束孔径不同波前的相似性，采用基于Zernike多项式的模式波前重构算法，重构待测波前；按路径反推得到入射波前的复振幅，从而得到强度分布和波前分布，即采用强度-波前-波长的重建算法和深度学习算法，重建了入射光束的强度和波前信息。
由于采用超表面结构径向剪切干涉板，取代传统体式光学元件，极大地减小了仪器体积、提高了集成化；同时，结合强度、波前和波长重建算法，实现光束强度、波前和波长的快速同步测量，利用三者数据的相关性和自洽性，不但可以极大地提高光束质量检测准确性，而且能同时提供所检测光束的强度、波前和波长动态变化信息，为激光光束质量测量提供了更为准确和不可或缺关键参数。仪器整体具有结构简单、体积小、集成度高、精度高、速度快、不易受环境干扰的优点，可满足复杂环境下实时、精确的激光光束质量动态测量的要求。
该仪器中，有两个不同于现有技术的点：一是使用了特殊结构的超表面径向剪切干涉板3，二是强度-波前-波长的重建单元8采用了特殊的重建方法。以下对这两方面的具体结构及实现方式进行详细说明。
第一部分：超表面径向剪切干涉板3。
本发明提出的超表面径向剪切干涉板是将两个不同焦距的超表面光学透镜集成为一体而构成。两个超表面光学透镜是以相位调控超表面单元结构为基本结构单元，例如，本实施例中具体是采用透射型BP相位调控超表面单元结构，所述透射型BP相位调控超表面单元结构按照不同的相位调控参数排列成宽度小于等于λ/2的同心圆环带结构，两个超表面光学透镜交错排列，分别占据奇数与偶数环带，形成所述径向剪切干涉板。
该超表面径向剪切干涉板由于环带宽度小于λ/2，两个不同焦距透镜环带宽度之和小于光波长λ，因此，其对空间波前调控的分辨率优于一个光波长λ，从而可以实现高空间分辨率的波前调控。本发明利用超表面结构径向剪切干涉板，取代传统体式光学元件，具有高空间分辨率、高光学效率、超薄、超轻、易于集成、高能量利用率的优点。
具体地，所述径向剪切干涉板可以有至少三种类型，分别如下：
第一种径向剪切干涉板的两个超表面光学透镜分别是焦距为+f和-f的正、负透镜，偶数环带和奇数环带分别满足相位条件；
或者，
其中r为超表面光学透镜上的空间极坐标，λ为入射波长。
第二种径向剪切干涉板的两个超表面光学透镜分别是焦距为f1、f2的正透镜，偶数环带和奇数环带分别满足相位条件
或者
第三种径向剪切干涉板的两个超表面光学透镜分别是焦距为-f1、-f2的负透镜，偶数环带和奇数环带分别满足相位条件
或者
径向剪切干涉板的工作原理参见图2，此图对应于以上径向剪切干涉板三种类型中第一种，原理如下：
被检测光束波前1入射到径向剪切干涉板3后，由于此径向剪切干涉板集成了一个正透镜和一个负透镜，产生一束径向缩小波前4和一束径向扩大波前5，二者与待测波前只是孔径不同，面形一致，缩小波前与扩大波前在重叠区域发生干涉，将波前中相位信息转化为强度信息以便于后续探测。更具体地说，被检测光束波前1被径向剪切干涉板3上的超表面集成双透镜分别聚焦成为汇聚在z＝f1(实焦点)和z＝f2(虚焦点)处的两光束；在z＝zd处，两光束部分重叠并产生干涉，形成干涉图形；用探测器阵列获取该干涉图形强度分布，通过重建算法，即可获得入射光束的波前分布。
当然，径向剪切干涉板可以是两个正透镜或者两个负透镜组成，例如以上的第二种或第三种类型，只要两个透镜焦距不同都会有径向剪切干涉发生，但合理的设置剪切率可以得到密度和对比度都较佳的干涉条纹。这个调节剪切率的过程在本发明的径向剪切干涉板光路中很简单，只要移动探测器和干涉板之间的距离，改变CCD图像传感器6上的成像面到超表面径向剪切干涉板3距离 Zd就可以了。这种集成两个不同焦距的透镜形成径向剪切干涉板，具有无需参考光设置、波面信息无泄漏、剪切率可调、结构简单、体积小、集成度高的优点。
图3a为PB相位光学超表面单元结构图，图3b为PB相位光学超表面单元结构相位和振幅透射率调控曲线图。图2中的径向剪切干涉板采用连续相位调控超表面设计，每个超表面光学透镜都是以透射型相位调控超表面单元结构为基本结构单元，其中每一个调控单元在这里以PB相位光学超表面单元举例说明其结构和原理。
现有研究表明，采用超表面结构可以在平面内小于半个波长的尺度下，实现对入射光波的连续波前调控，这为灵活地实现各类平面光学器件提供了新的途径。超表面结构是在平面基底上，通过微纳工艺加工形成的周期性亚波长结构，其功能结构周期可以小于二分之一波长、厚度约为波长尺度，可以实现具有高空间分辨率、高光学效率、超薄、超轻、易于集成的光学透镜等。本发明所涉及的径向剪切干涉板，采用具有连续相位调控功能的PB相位光学超表面单元结构。其结构单元如图3a所示，针对波长工作范围[λmin，λmax]的入射光，在玻璃基底31上，制备全介质(例如TiO2、α-Si等)立方超表面结构32。在玻璃基底31的平面内，通过TiO2立方超表面结构的旋转，实现对入射光波波前 (0-2π范围内)的连续调控，其调控效率主要取决于结构的长度L、宽度W、高度t和周期T。以TiO2立方结构为例，当L＝120nm、W＝60nm、t＝320nm和T＝260nm 时，如图3b所示，其振幅透射率可达90％以上。进一步提高深宽比，可以实现接近100％的振幅透射率。通过旋转立方单元结构，可以在亚波长尺度下，实现对出射光的波前调控。当旋转角为
时，对应相位偏移为
更为重要的是PB相位光学超表面单元结构具有优异的宽带特性，其带宽可达400nm以上，可以用于实现宽带的超表面径向剪切干涉板，满足宽带波前测量的需求。
图4为基于透射型PB相位调控超表面结构的径向剪切干涉板局部放大后的超表面结构单元阵列示意图。本发明提出的径向剪切干涉超表面，是一种集成了两个不同焦距的超表面光学透镜，其基本单元结构为上述图3a中PB相位光学超表面单元结构。所述正、负透镜由透射型相位调控超表面结构按照相位调控参数以特定方式排列而成，偶数环带和奇数环带分别满足相位空间分布条件：
或
其中r分别为超表面光学透镜上的空间极坐标，f和-f分别为两个透镜的焦距，λ为光波长，T为超表面结构单元周期，ri＝i×T(i为整数)。整个超表面以圆心划分成若干个宽度为T的环带区域ri≤r<ri+T，其中T≤λ/2。在相邻的两个环带区域内，其对应相位分别由上面两个公式描述。由此在同一个平面结构内集成两个焦距分别为f和-f的超表面透镜，通过优化f和-f可以获得所需的最佳剪切率，从而满足大动态范围的光束质量检测需求。由于环带宽度小于等于λ/2，两个不同焦距透镜环带宽度之和小于光波长λ，因此，其对空间波前调控的分辨率优于一个光波长λ，从而可以实现高空间分辨率的波前调控。同时，由于环带宽带小于波长，只存在零级衍射，没有任何高阶衍射光束，实现高的能量利用率，还可以避免高级次衍射带来的干扰。
径向剪切干涉板中奇数环带对入射的左旋圆偏振光起会聚作用，而对于右旋圆偏振光起发散作用。与之类似，偶数环对左、右旋圆偏振光的作用与奇数环刚好相反。从而，无论是LCP光(左旋圆偏振光)还是RCP光(右旋圆偏振光)，入射光总是会被分成一个会聚波面和一个发散波面，然后形成相同的干涉图案。由于任何偏振光都可以分解为LCP光和RCP光的线性叠加，因此，本发明提出的径向剪切干涉板具有偏振无关性，可以适用于任意偏振光的波前探测。
图5中，a、b、c、d给出了仿真得到的采用理想平面波照明，剪切率分别为0.9、0.8、0.7、0.6情况下的成像面干涉图案。可见只需调整径向剪切干涉板与相机的距离，即可实现剪切率的调节。
由以上实施例可以见，本发明利用超表面结构能够对相位、振幅等进行连续调控，同时具有高空间分辨率、高光学效率、超薄、超轻、易于集成、宽带调控的特性，提出基于超表面结构的径向剪切干涉板。通过集成两个不同焦距的超表面光学透镜，其基本单元结构为透射型相位调控超表面单元结构，按特定相位要求以小于或等于半波长环带间隔布置，达到偏振无关、高能量利用率、无需参考光设置、波面信息无泄漏、结构简单、剪切率易调节、不易受环境干扰，该技术高度集成化的优点可以克服现有径向剪切干涉波前探测装置体积大、元件较多、集成化低、精度较低、速度慢、剪切率调节难度大的弱点，可满足实时、精确的激光波前探测的要求。
第二部分，强度-波前-波长的重建单元8。
图6为强度-波前-波长的重建单元8的重建方法流程图。简要来说，由干涉图样强度分布表达式中干涉条纹的环形间距计算得到入射波长λ；根据干涉图样中圆环形载频模式，解出波前相位差；根据干涉板分出两束孔径不同波前的相似性，采用基于Zernike多项式的模式波前重构算法，重构待测波前；按路径反推得到入射波前的复振幅，从而得到强度分布和波前分布。具体来说经过下面步骤 (1)干涉图样表达解析:
假设入射波前的复振幅是
Ui(r,θ)＝A(r,θ)exp[jkW(r,θ)]
其中，A(r,θ)为振幅，W(r,θ)为待测波前，k＝2π/λ为波束。待测光束经过超表面结构透镜，会聚透镜和一个发散透镜组合在一起的透射率函数公式为
其中，d＝λf。设α＝f/(f-z)是入射待测光束孔径与缩小光束孔径之比，β＝f/(f+z)。由瑞利-索末菲衍射，得干涉图样强度分布表达式
(2)波长重建：干涉图中，-απr2/d-βπr2/d是r2的函数，表示环形的干涉条纹。因
公式里仅有λ与f两个未知数，而入射波长λ与设计焦距f是成固定函数关系的，由此，可以由干涉条纹的环形间距来得到入射波长λ的具体数值。
(3)求解波前差：命
像面上干涉强度图可以简写为
为了提取其中的波前相位差部分ΔW(r,θ,z)＝W(αr,θ)-W(βr,θ)，引入一对应的参考干涉图
使其载频-απr2/d-βπr2/d与干涉条纹载频一致，而相位
设置成特定的四个相位。将待解干涉图与参考干涉图进行乘法叠加运算后可以得到新的条纹图，对应的光强分布是
通过合理选用滤波器，滤掉高频分量后可以提取出含有剪切相位差的信息，即公式中第一项、第二项，对应四种相位表示强度分布为
于是解出像面处的波前相位差为
(4)基于Zernike多项式重构波前：可以通过相位解缠绕算法对其进行校正，再对其进行波前重构，从扩大波前和缩小波前的相位差中解出原始波前。这里可以采用基于Zernike多项式的模式波前重构算法。待测光束的缩小波前和扩大波前可以写成如下形式
当剪切率(径向剪切干涉中的缩小光束和扩大光束孔径之比(f-z)/(f+z)确定的时候，二者的关系可以求得，那么有
从而可以得到相位差的表达式是
其中，A＝{a1,a2,…,aN}是待测波前的Zernike多项式系数向量，
Z＝{Z1,Z2,…,ZN}T是Zernike多项式构成的列向量，B是系数矩阵。
另外将从干涉图中得到的已知的相位差ΔW(r,θ)按照干涉区域内的正交Zernike多项式展开
ΔW(r,θ)＝CZ,
对应即求得待测波前的Zernike多项式的系数向量A
A＝CB+
从而可以按Zernike正交分解展开式重构待测波前在像面上的缩小波前 W1(r,θ)和放大波前W2(r,θ)。
(5)延传播路径进行菲涅尔衍射积分得到任意截面的复振幅分布表达式：将像面上的缩小波前W1(r,θ)和放大波前W2(r,θ)代入像面干涉强度表达式Ir(r,θ) 中，即可按路径进行菲涅尔衍射积分反推得到入射剪切板之前任意截面的入射波前的复振幅
Ui(r,θ)＝A(r,θ)exp[jkW(r,θ)]
(6)波前和强度分布重建：由入射波前的复振幅表达式得出波前分布为 W(r,θ)，强度分布可由复振幅与其共轭的平方得到
I(r,θ)＝Ui(r,θ)*Ui(r,θ)*＝A2(r,θ)
至此，该测量方法实现了从一幅干涉图样中同时解算出强度、波前和波长，结算过程中利用了三者的相关性互相促进配合算法解算，并使得三者保持自洽性。
由以上实施例可见，本发明利用超表面结构径向剪切干涉板，取代传统体式光学元件，具有高空间分辨率、高光学效率、超薄、超轻、易于集成、高能量利用率、结构简单、体积小、集成度高、精度高、速度快、不易受环境干扰的优点。利用位移装置可以调节CCD图像传感器和超表面径向剪切干涉板之间距离，从而调节剪切率，检测的动态范围高，仪器元件少，集成度高，整体结构简单。本发明的仪器配合测量方法，利用强度、波前和波长三者数据的相关性和自洽性，不但可以极大地提高光束质量检测准确性，而且能同时提供所检测光束的强度、波前和波长动态变化信息，为激光光束质量测量提供了更为准确和不可或缺的关键参数，可满足复杂环境下实时、精确的激光光束质量动态测量的要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范畴。
Claims (10)
1.基于超表面径向剪切的强度-波前-波长测量仪，其特征在于：包括1/4波片、超表面径向剪切干涉板、CCD图像传感器、位移装置、强度-波前-波长重建单元；所述1/4波片用于将入射激光转换为圆偏振光送入超表面径向剪切干涉板；所述超表面径向剪切干涉板将圆偏振光分为两束孔径不同而面形一致的波前，在所述CCD图像传感器上形成干涉图样；所述强度-波前-波长的重建单元从干涉图样上重建出入射光束的强度、波前和波长信息；所述位移装置调节所述CCD图像传感器和所述超表面径向剪切干涉板之间距离，从而改变剪切率；
所述超表面径向剪切干涉板是将两个不同焦距的超表面光学透镜集成为一体而构成；所述超表面光学透镜是以相位调控超表面单元结构为基本单元结构，所述相位调控超表面单元结构按照两种不同的相位调控参数，交错排列成宽度小于等于λ/2的同心圆环带结构，λ为入射波长，两个超表面光学透镜分别占据奇数与偶数环带，形成所述径向剪切干涉板；
所述强度-波前-波长的重建单元从干涉图样上重建出入射光束的强度、波前和波长信息包括：
干涉图样解析：由瑞利-索末菲衍射，得干涉图样强度分布表达式；
波长重建：由干涉图样强度分布表达式中干涉条纹的环形间距计算得到入射波长λ；
求解波前差：根据干涉图样中圆环形载频模式，解出波前相位差；
基于Zernike多项式重构波前：根据径向剪切干涉板分出两束孔径不同波前的相似性，采用基于Zernike多项式的模式波前重构算法，重构待测波前；
按路径反推得到入射波前的复振幅；
波前和强度分布重建。
2.根据权利要求1所述的基于超表面径向剪切的强度-波前-波长测量仪，其特征在于，所述两个超表面光学透镜分别是焦距为+f和-f的正、负透镜，偶数环带和奇数环带分别满足相位条件
或者，
其中r为超表面光学透镜上的空间极坐标极径；
或者，所述两个超表面光学透镜分别是焦距为f1、f2的正透镜，偶数环带和奇数环带分别满足相位条件
或者
或者，所述两个超表面光学透镜分别是焦距为-f1、-f2的负透镜，偶数环带和奇数环带分别满足相位条件
或者
3.根据权利要求1或2所述的基于超表面径向剪切的强度-波前-波长测量仪，其特征在于，所述相位调控超表面单元结构具有连续相位调控功能，包括基底与其上的全介质立方超表面结构，通过旋转所述全介质立方超表面结构，在亚波长尺度下，实现对出射光的波前调控。
4.根据权利要求3所述的基于超表面径向剪切的强度-波前-波长测量仪，其特征在于，所述相位调控超表面单元结构的周期小于等于半波长，只有零级衍射，奇、偶环带产生双光束干涉，可提高能量利用率；通过改变所述全介质立方超表面结构的长度、宽度、高度和周期，改变光调控效率；所述偶数环带和奇数环带中，任意相邻环带可以对左旋圆偏振光和右旋偏振光分别实现聚焦和发散，使径向剪切干涉板具有偏振无关性。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的基于超表面径向剪切的强度-波前-波长测量仪，其特征在于：所述强度-波前-波长的重建单元进行干涉图样表达解析的方法包括：
假设入射波前的复振幅是
Ui(r，θ)＝A(r，θ)exp[jkW(r，θ)]
其中，A(r,θ)为振幅，W(r,θ)为待测波前，k＝2π/λ为波数，待测光束经过超表面结构透镜，会聚透镜和一个发散透镜组合在一起的透射率函数公式为
其中，d＝λf，j为复数虚部符号；
设α＝f/(f-z)是入射待测光束孔径与缩小光束孔径之比，β＝f/(f+z)，由
瑞利-索末菲衍射，得干涉图样强度分布表达式
其中,r为超表面光学透镜上的空间极坐标的极径，θ为极角，z光轴方向上超表面径向剪切干涉板到CCD图像传感器的成像面距离坐标。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的基于超表面径向剪切的强度-波前-波长测量仪，其特征在于：所述强度-波前-波长的重建单元进行波长重建的方法：
干涉图中，-απr2/d-βπr2/d是r2的函数，表示环形的干涉条纹，因
公式里仅有λ与f两个未知数，而入射波长λ与设计焦距f是成固定函数关系的，因此，由干涉条纹的环形间距来得到入射波长λ的具体数值。
7.根据权利要求1、2、3或4所述的基于超表面径向剪切的强度-波前-波长测量仪，其特征在于：所述强度-波前-波长的重建单元求解像面处的波前相位差的方法如下：
命
像面上干涉强度图简写为
为了提取其中的波前相位差部分ΔW(r，θ，z)＝W(αr，θ)-W(βr，θ)，引入一对应的参考干涉图
使其载频-απr2/d-βπr2/d与干涉条纹载频一致，而相位
设置成特定的四个相位，将待解干涉图与参考干涉图进行乘法叠加运算后可以得到新的条纹图，对应的光强分布是
通过选用滤波器，滤掉高频分量后提取出含有剪切相位差的信息，即公式中第一项、第二项，对应四种相位表示强度分布为
于是解出像面处的波前相位差为
8.根据权利要求1、2、3或4所述的基于超表面径向剪切的强度-波前-波长测量仪，其特征在于：所述强度-波前-波长的重建单元基于Zernike多项式重构波前的方法如下：
将待测光束的缩小波前和扩大波前写成如下形式
当剪切率，径向剪切干涉中的缩小光束和扩大光束孔径之比(f-z)/(f+z)确定的时候，二者的关系可以求得，那么有
从而可以得到相位差的表达式是
其中，A＝{a1，a2，…，aN}是待测波前的Zernike多项式系数向量，Z＝{Z1，Z2，…，ZN}T是Zernike多项式构成的列向量，B是系数矩阵。
另外将从干涉图中得到的已知的相位差ΔW(r,θ)按照干涉区域内的正交Zernike多项式展开
ΔW(r,θ)＝CZ,
对应即求得待测波前的Zernike多项式的系数向量A
A＝CB+
从而可以按Zernike正交分解展开式重构待测波前在像面上的缩小波前W1(r，θ)和放大波前W2(r，θ)。
9.根据权利要求1、2、3或4所述的基于超表面径向剪切的强度-波前-波长测量仪，其特征在于：所述强度-波前-波长的重建单元延传播路径进行菲涅尔衍射积分得到任意截面的复振幅分布表达式的方法如下：
将像面上的缩小波前W1(r，θ)和放大波前W2(r，θ)代入像面干涉强度表达式Ir(r，θ)中，即可按路径进行菲涅尔衍射积分反推得到入射剪切板之前任意截面的入射波前的复振幅
Ui(r，θ)＝A(r，θ)eXp[jkW(r，θ)]。
10.根据权利要求1、2、3或4所述的基于超表面径向剪切的强度-波前-波长测量仪，其特征在于：所述强度-波前-波长的重建单元进行波前和强度分布重建的方法如下：
由入射波前的复振幅表达式得出波前分布为W(r，θ)，强度分布由复振幅与其共轭的平方得到
I(r，θ)＝Ui(r，θ)*Ui(r，θ)*＝A2(r，θ)。
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|---|---|---|---|
| CN202211206568.XA CN115560848A (zh) | 2022-09-30 | 2022-09-30 | 基于超表面径向剪切的强度-波前-波长测量仪 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117330181A (zh) * | 2023-12-01 | 2024-01-02 | 中国工程物理研究院应用电子学研究所 | 基于超表面的多通道多功能激光光束质量检测系统 |
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2022
- 2022-09-30 CN CN202211206568.XA patent/CN115560848A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117330181A (zh) * | 2023-12-01 | 2024-01-02 | 中国工程物理研究院应用电子学研究所 | 基于超表面的多通道多功能激光光束质量检测系统 |
| CN117330181B (zh) * | 2023-12-01 | 2024-02-27 | 中国工程物理研究院应用电子学研究所 | 基于超表面的多通道多功能激光光束质量检测系统 |
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