一种基于光通量约束的随机编码混合光栅

摘要

本发明公开了一种基于光通量约束的随机编码混合光栅。本发明包括不透明掩膜S2和透明基底S1；掩膜S2覆盖在基底S1上的部分区域，使得光栅上每个面积为S的正方形区域的光通量满足 分布，其中为所述随机编码混合光栅的栅距，并且在各个面积为S的正方形区域内掩膜区块呈随机排布；另对基底S1上范围内且无掩膜覆盖区域的基底加以刻蚀，所述刻蚀深度使得通过刻蚀区域透光部分的光波相对于未刻蚀基底透光部分的光波超前π相位。本发明一方面省略了传统交叉光栅四波前横向剪切干涉中的级次选择窗口，简化系统结构的同时提高了系统稳定性，另一方面在形成的四波前横向剪切干涉图中也减少了其他衍射级次的干扰，提高了对待测波前的检测精度。

说明书

技术领域

本发明属于光束波前检测领域，特别涉及一种用于四波横向剪切干涉仪中的基于光通量约束的随机编码混合光栅。

背景技术

横向剪切干涉技术利用待测波前自身进行错位干涉，从而实现对波面相位的直接测量，由于它采用共路系统，无需参考光束，因此干涉条纹稳定，抗干扰能力强，对环境要求低，仪器结构简单。基于以上优点，横向剪切干涉技术常用于光学材料及元件的检验与测量、光束性能与参量的探测、光学系统校准、检验与评价等。

传统的横向剪切干涉仪需要两路光学系统以产生绝对正交的沿x、y方向剪切的横向剪切干涉图，系统结构较为复杂。交叉光栅横向剪切干涉仪采用二维交叉光栅作为分光元件，可以同时在x方向和y方向发生衍射，产生不同级次的衍射光，然后级次选择窗口对各级次光进行选择，使得只有x、y方向的±1级衍射光通过，其他级次光被遮挡，最后通过级次选择窗口的四束光波之间发生剪切干涉。交叉光栅横向剪切干涉仪通过采用二维交叉光栅可以直接得到两正交方向的剪切干涉图，实现瞬态波前的实时检测，但是级次选择窗口的存在导致系统结构复杂，不利于仪器的调节。

现在常见的四波横向剪切干涉仪利用改进的哈特曼模板MHM作为分光元件，不需要级次选择窗口即可获得待检测波前的相位信息，其中所述的哈特曼模板MHM由两台阶相位光栅和振幅光栅组成，振幅光栅的占空比是2/3，并且相位光栅周期是振幅光栅周期的2倍，理想情况下MHM的衍射光场中仅有偶级次光和±3级及±3的倍级衍射光被消除，所以从严格意义上来说，MHM中还包含其他级次衍射光，对x、y方向上±1级光之间的干涉造成影响。所以现在亟需设计一种新型光栅，使得在衍射光场中两正交方向上只存在±1级衍射光。由此在实际检测中，就可以省略窗口选择器件，不仅 可以简化系统结构，方便仪器调节，而且可以增强抗环境干扰能力，进一步提高检测精度。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于光通量约束的随机编码混合光栅。本发明的二维光栅其衍射光场中除±1级光之外的其他级次衍射光都被消除，使得所形成的干涉光波集中在±1级衍射光中，一方面省略了传统交叉光栅四波前横向剪切干涉中的级次选择窗口，简化系统结构的同时提高了系统稳定性，且不需要借助消球差透镜可直接对平行光束加以检测；另一方面相对直接利用改进的哈特曼模板进行四波前横向剪切干涉而言，在形成的四波前横向剪切干涉图中也减少了其他衍射级次的干扰，提高了对待测波前的检测精度。

本发明包括不透明掩膜S2和透明基底S1。掩膜S2覆盖在基底S1上的部分区域，使得光栅上每个面积为S的正方形区域的光通量满足

分布，其中d为所述随机编码混合光栅的栅距，并且在各个面积为S的正方形区域内掩膜区块呈随机排布；另对基底S1上 $[\mathrm{rect}\left(\frac{2x}{d}\right)*\mathrm{comb}\left(\frac{x}{d}\right)]·[\mathrm{rect}\left(\frac{2y}{d}\right)*\mathrm{comb}\left(\frac{y}{d}\right)]=0$范围内且无掩膜覆盖区域的基底加以刻蚀，所述刻蚀深度使得通过刻蚀区域透光部分的光波相对于未刻蚀基底透光部分的光波超前π相位。

所述基底S1材料为石英或玻璃。

所述的刻蚀深度由入射光波长λ和基底S1材料的折射率n共同决定，并且刻蚀深度$h=\frac{\lambda }{2(n-1)}.$

所述周期d的范围为50微米至300微米。

所述正方形区域面积S的取值为9平方微米至225平方微米。 

所述基于光通量约束的随机编码混合光栅主要用于四波横向剪切干涉仪中检测波前。

本发明有益效果如下：

本发明提供的基于光通量约束的随机编码混合光栅，其衍射光场中除±1级之外的其他级次衍射光均被消除，使得所形成的衍射光束集中在±1级。因此将所述基于光通量约束的随机编码混合光栅应用在四波横向剪切干涉仪中实现连续波前和瞬态波前的实时检测，一方面省略了传统交叉光栅四波前横向剪切干涉中的级次选择窗口，简化系统结构的同时提高了系统稳定性，且不需要借助消球差透镜可直接对平行光束加以检测；另一方面相对直接利用改进的哈特曼模板进行四波前横向剪切干涉而言，在形成的四波前横向剪切干涉图中也减少了其他衍射级次的干扰，提高了对待测波前的检测精度。

附图说明

图1是基于光通量约束的随机编码混合光栅组成结构的立体示意图；

图2是基于光通量约束的随机编码混合光栅的侧视剖面图；

图3是栅距为120um的随机编码混合光栅表面的透过率分布图；

图4是栅距为120um的随机编码混合光栅的刻蚀区域分布图；

图5是本发明用于连续波前畸变检测的系统布局图；

图6是本发明用于连续波前畸变检测时获得的四波横向剪切干涉图；

图7是利用傅里叶变换和差分Zernike多项式拟合方法重构波前畸变的流程图

图8是本发明用于连续波前畸变检测时重构计算获得的波前畸变分布图；

图9是本发明用于瞬态扰动场波前畸变实时检测的系统布局图；

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。

如图1和图2所示，基于光通量约束的随机编码混合光栅，包括不透明掩膜S2和透明基底S1。掩膜S2覆盖在基底S1上的部分区域，使得光栅上每个面积为S的正方形区域的光通量满足分布，其中d为 所述随机编码混合光栅的栅距，并且在各个面积为S的正方形区域内掩膜区块呈随机排布；另对基底S1上$[\mathrm{rect}\left(\frac{2x}{d}\right)*\mathrm{comb}\left(\frac{x}{d}\right)]·[\mathrm{rect}\left(\frac{2y}{d}\right)*\mathrm{comb}\left(\frac{y}{d}\right)]=0$范围内且无掩膜覆盖区域的基底加以刻蚀，所述刻蚀深度使得通过刻蚀区域透光部分的光波相对于未刻蚀基底透光部分的光波超前π相位。

所述基底S1材料为石英或玻璃。

所述的刻蚀深度由入射光波长λ和基底S1材料的折射率n共同决定，并且刻蚀深度$h=\frac{\lambda }{2(n-1)}.$

所述周期d的范围为50微米至300微米。

所述正方形区域面积S的取值为9平方微米至225平方微米。 

所述基于光通量约束的随机编码混合光栅主要用于四波横向剪切干涉仪中检测波前。

实施例1：

本发明可制成入射光波长λ为632.8nm、栅距d为120um的基于光通量约束的随机编码混合光栅，该光栅采用石英作为基底，其折射率n约为1.46，铬膜作为掩膜。图3为该光栅在300um*300um尺寸范围内的透过率分布图，其中白色区域为无掩膜覆盖的透光区域，黑色区域为掩膜覆盖的不透光区域，掩膜覆盖基底上的部分区域使得每个面积为9平方微米区域内的光通量均满足分布，而在每个面积为9平方微米的区域内，掩膜以1平方微米的小正方形随机排布；图4为该光栅在300um*300um对应区域范围内的刻蚀深度分布图，其中白色区域为不需要刻蚀的区域，黑色区域为需要刻蚀的区域，其刻蚀深度

实施例2：

本发明应用于连续波前的四波横向剪切干涉波前检测的实例描述如下：

图5是基于光通量约束的随机编码混合光栅用于四波横向剪切干涉连续波前检测的系统结构图。实施例的待测畸变波前为连续波前，口径Φ＝8mm，波长为632.8nm。待测波前经过随机编码混合光栅后，将会分为两个正交方向上的±1级共四束波前出射。利用计算机控制CCD采集这四束光斑的重叠部分可以得到四波横向剪切干涉图，如图6。

获得交叉光栅横向剪切干涉图后，需要通过差分Zernike多项式拟合方法将待测波前重构出来。具体的波前重构步骤如图7所示，首先对干涉图作快速傅里叶变换生成频谱图，然后分别选取X方向和Y方向的+1级频谱，对其进行逆傅里叶变换，获得X方向和Y方向的横向剪切差分波前。设W(x,y)为待测波前，四波横向剪切干涉图经过频谱滤波和傅里叶逆变换后得到的两个差分波前可以分别表示为

$\left(\begin{array}{c}\Delta W_x(x,y)=W(x-\frac{s}{2},y)-W(x+\frac{s}{2},y)\\ \Delta W_y(x,y)=W(x,y-\frac{s}{2})-W(x,y+\frac{s}{2})\end{array}\right),---\left(1\right)$

s为四波横向剪切干涉的剪切量，根据Zernike多项式的定义，待测波前可以表示为Zernike多项式的各项系数a_j与对应基底Z_j(x,y)相乘后累加的形式，j表示第j项系数，即

$W(x,y)=\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{a}_j{Z}_j(x,y)---\left(2\right)$

若定义差分Zernike多项式为

$\left(\begin{array}{c}\Delta Z_x=Z_j(x-\frac{s}{2},y)+Z_j(x+\frac{s}{2},y)\\ \Delta Z_y=Z_j(x,y-\frac{s}{2})+Z_j(x,y+\frac{s}{2})\end{array}\right).---\left(3\right)$

则差分波前ΔW_x(x,y)和ΔW_y(x,y)又可以表示为

$\left(\begin{array}{c}\Delta W_x(x,y)=\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{a}_j\Delta Z_x\\ \Delta W_y(x,y)=\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{a}_j\Delta Z_y\end{array}\right),---\left(4\right)$

将每个坐标(x,y)对应的ΔW_x(x,y)和ΔW_y(x,y)组合表示为矩阵ΔW，将每个(x,y)坐标对应的ΔZ_x和ΔZ_y组合表示为矩阵ΔZ，则式(4)可写为

ΔW＝ΔZa,       (5) 

其中

$\mathrm{\Delta W}=\left(\begin{array}{c}\Delta W_x\\ \Delta W_y\end{array}\right),\mathrm{\Delta Z}=\left(\begin{array}{c}\Delta Z_x\\ \Delta Z_y\end{array}\right),---\left(6\right)$

于是由Zernike多项式系数a_j构成的一维系数矩阵a可以通过最小二乘法求解，

a＝(ΔZ^TΔZ)^-1ΔZ^TΔW.     (7) 

在求出Zernike多项式的各项系数a_j后，将其重新代入式(2)就可以求出待测波前的畸变分布情况，如图8。

实施例3：

本发明应用于瞬态波前的四波横向剪切干涉波前实时检测的实例描述如下：

图9是基于光通量约束的随机编码混合光栅用于四波横向剪切干涉瞬态波前检测的系统结构图。该系统由脉冲激光器、激光驱动器、同步触发控制系统、准直扩束系统、随机编码混合光栅、CCD和计算机组成。激光由脉冲激光器输出后，经准直扩束系统扩束为Φ＝25mm的宽光束，光束经过扰动场后会将扰动场中折射率的不均匀信息携带到波前畸变中，此处的扰动场一般是指风洞中的高速空气流场或其他的扰动场。待测波前经过随机编码混合光栅后，将会分为两个正交方向上的±1级共四束波前出射，而干涉图将会在四束光的重合部分形成。同步触发控制系统一方面将驱动信号发送给激光驱动器驱动脉冲激光器工作，另一方面将触发信号发送给CCD控制CCD在光束到达像面的同一时间采集干涉图。获得交叉光栅横向剪切干涉图后，通过与实施例1中同样的基于傅里叶变换和差分Zernike多项式拟合的波前重构方法就可以获取瞬态波前的位相分布。