波前傳感器的技術(shù)革命

-----四波剪切干涉技術(shù)

文：陳昌營(yíng)，上海昊量光電設(shè)備有限公司技術(shù)工程師

摘 要：

波前傳感器(波前分析儀)是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)最重要的組成部件之一，決定了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)最終的調(diào)制結(jié)果。同時(shí)波前探測(cè)器在激光、天文、顯微、眼科等復(fù)雜自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的波前像差檢測(cè)，虹膜定位像差引導(dǎo)，大口徑高精度光學(xué)元器件檢測(cè)，平行光管/望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的檢測(cè)與裝調(diào)，紅外、近紅外探測(cè)，激光光束性能、波前像差、M^2、強(qiáng)度的檢測(cè)，高精密光學(xué)元器件表面質(zhì)量的檢測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。法國(guó)PHASICS公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)，突破傳統(tǒng)技術(shù)的壁壘，成功研發(fā)出了世界上分辨率最高的四波剪切干涉技術(shù)波前探測(cè)器。本文簡(jiǎn)單介紹了波前傳感器的原理和典型應(yīng)用，以及四波剪切干涉技術(shù)原理，比較了剪切干涉技術(shù)的波前分析儀與傳統(tǒng)哈特曼傳感器的特點(diǎn)。

引 言：

波前傳感器（Wave Front Sensor），按照其技術(shù)發(fā)展的歷史可以分為三個(gè)階段：第一階段，1900年德國(guó)科學(xué)家哈特曼采用挖孔的光闌技術(shù)制作完成了世界上第一個(gè)可以用于檢測(cè)波前的傳感器。第二階段，1971年R.K.Shack采用為透鏡陣列研發(fā)成功了精度更高的夏克-哈特曼波前分析儀。2000年法國(guó)Phasics研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用四波剪切干涉技術(shù)成功研發(fā)了基于技術(shù)（4-Wave Lateral Shearing Interferometry），該波前探測(cè)器具有高分辨率（400X300）、高動(dòng)態(tài)范圍（500 um）、消色差、高靈敏度、高相對(duì)精度（2nm RMS）、無需校正、體積小、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。上海昊量光電設(shè)備有限公司代理的法國(guó)phasics波前相差儀可以實(shí)時(shí)測(cè)量成像系統(tǒng)瞳面波前誤差，然后將這些測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成自適光學(xué)系統(tǒng)的控制信號(hào)，并對(duì)成像系統(tǒng)的光學(xué)特性進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，實(shí)時(shí)校正入射光束波前變形，從而補(bǔ)償又大氣湍流引起的波前畸變，使物鏡得到接近衍射極限的目標(biāo)像。

四波剪切干涉技術(shù)原理：

剪切干涉技術(shù)基本原理是將待檢測(cè)的激光波前分成兩束，其中的一束相對(duì)于另一束橫向產(chǎn)生一些錯(cuò)位，兩束錯(cuò)位的光波各自保持完整的待測(cè)波前信息，相互疊合后，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，CCD/CMOS相機(jī)會(huì)接收干涉圖樣，進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算分析，從而利用傅立葉變換的相關(guān)計(jì)算，分析出待測(cè)波前的相位分布，以及強(qiáng)度分布等。基于干涉條紋的疏密度敏感于波前的斜率，因此在探測(cè)波前的偏離范圍較傳統(tǒng)的哈特曼傳感器具有更大的優(yōu)越性。

波前傳感器的典型應(yīng)用

光在傳輸?shù)倪^程中會(huì)經(jīng)過不同的介質(zhì)，不同的介質(zhì)由于其構(gòu)成物質(zhì)的分布不均勻，從而導(dǎo)致光的波前產(chǎn)生各種各樣的變化，自適應(yīng)系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生。作為自適應(yīng)系統(tǒng)中重要的一環(huán)，波前傳感器的檢測(cè)精度，動(dòng)態(tài)范圍等等因素，都制約著自適應(yīng)系統(tǒng)最終的調(diào)制結(jié)果。由于剪切干涉波前分析儀具有分辨率高，探測(cè)精度高，探測(cè)速度快，操作簡(jiǎn)便，可直接的三維顯示波前畸變的模式等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)得到了廣泛的使用。

1、自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)實(shí)時(shí)波前探測(cè)

在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中利用Phasics波前傳感器檢測(cè)到精確的波前畸變信息，反饋給波前校正系統(tǒng)以補(bǔ)償待測(cè)波前的畸變，從而可有效的降低湍流應(yīng)的影響，補(bǔ)償大氣湍流引起的光波相位擾動(dòng)。

2、激光光束性能、波前像差、M^2、強(qiáng)度等的檢測(cè)

激光光束質(zhì)量是激光器的一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)參數(shù)，主要是指光束在傳播中橫截面的場(chǎng)強(qiáng)分布及變化，主要的參量包括：光束直徑，傳播模式，遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，光斑方向漂移等。研究波前相位的畸變是分析激光裝置中腔鏡變形的主要依據(jù)，提高波前性能是提高光束質(zhì)量的重要手段。

波前分析儀可以用于激光波前的檢測(cè)，同時(shí)可以得到激光的光強(qiáng)分布和其他的激光光束質(zhì)量參數(shù)，為同時(shí)檢測(cè)激光波前和光束質(zhì)量提供了一種高精度，高靈敏度，實(shí)時(shí)3D顯示，簡(jiǎn)便可行的新方法。

3、精密光學(xué)元器件檢測(cè)

隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)精密光學(xué)元器件的生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)要求越來越高，波前探測(cè)器能給精密的對(duì)光學(xué)元器件進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)時(shí)得到精確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于精密光學(xué)元器件的生產(chǎn)無疑產(chǎn)生了一場(chǎng)新的技術(shù)革命。相對(duì)于傳統(tǒng)的干涉儀檢測(cè)光學(xué)元器件的波前，Phasics波前分析儀更適合像差、球差較大的非球面透鏡的檢測(cè)。波前分析儀具有無需標(biāo)準(zhǔn)件，體積小，精度高，數(shù)值孔徑大（可達(dá)0.75），等優(yōu)點(diǎn)�？筛鶕�(jù)客戶的實(shí)際檢測(cè)需求，做個(gè)性化的波前傳感器檢測(cè)方案。

4、激光等離子體檢測(cè)分析

法國(guó)Phasics公司（昊量光電代理）SID4系列等離子體分析儀(Plasma Diagnosis)是一款便攜式、高靈敏度、高精度的等離子體分析儀。該產(chǎn)品基于波前分析的四波剪切干涉技術(shù)，可實(shí)時(shí)檢測(cè)激光產(chǎn)生的等離子體的電子密度、模式及傳播方式。可實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)等離子體的產(chǎn)生、擴(kuò)散過程，以及等離子體的品質(zhì)因數(shù)�？梢愿�好地為客戶在噴嘴設(shè)計(jì)、激光脈沖的照度、氣壓、均勻性等方面提供最優(yōu)化的數(shù)據(jù)支持。

除此之外，波前分析儀還被廣泛的應(yīng)用于紅外、近紅外探測(cè)；平行光管/望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的檢測(cè)與裝調(diào)；衛(wèi)星遙感成像、生物成像、熱成像領(lǐng)域；球面、非球面光學(xué)元器件檢測(cè) (平面, 球面, 透鏡)；虹膜定位像差引導(dǎo)；大口徑高精度光學(xué)元器件檢測(cè)；激光通信領(lǐng)域；航空航天等領(lǐng)域。

波前探測(cè)器產(chǎn)品系列