基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪制造技术

本发明专利技术涉及一种基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪，属于光学检测领域。包括光学匹配系统、分光镜、第一和第二傅里叶透镜、CCD探测器和计算机系统；还包括两头分别放置在第一和第二傅里叶透镜各自焦点处的单模光纤。本发明专利技术利用光纤可弯曲性，引导参考光束走向，而不必使用大量反射镜，这样即能减少光学元件引入误差，又有利于装置结构小型化和集成化。本发明专利技术与传统点衍射干涉仪相比只需一副空间线性载频干涉条纹图就可通过快速傅里叶变换法准确地复原出待测光波前相位分布；结构简单紧凑、无需专门的参考光；且信号光与待测光之间不存在使波前畸变的任何光学元件，复原波前准确性高；适用于各类波前相位静动态检测领域。

【技术实现步骤摘要】
基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪
本专利技术涉及一种自参考干涉波前相位传感技术，特别涉及一种基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪，属于光学检测

技术介绍
随着科学技术不断发展，精密测量技术变得越来越重要，而光学测量技术因其具有高精度、高灵敏度、非接触等优势，在测量领域占据主导地位。激光波前检测技术在光学检测、自适应光学、激光传输与控制、生物光学成像技术与应用，以及眼科医学检测等工业制造、医学和科研等领域均具有广阔的应用前景。因此，对波前传感技术的研究具有重要的研究价值和实际意义。常用的激光波前检测技术有哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)波前传感技术和自参考波前测量技术。哈特曼-夏克波前传感器具有结构简单、标定方便、测量动态范围大等优点；其测量原理是通过测量在子孔径阵列上和在两个正交方向上的波前梯度矢量，再经过计算机计算进行波前重构。但其测量精度一般，只能达到十分之一波长量级，这是受到其微透镜阵列几何尺寸的限制。提高测量精度的方法一般是增加微透镜阵列数量，但随之而来的就是大量的待处理数据量，并且需要提高计算机数据处理速度。近年来，学者们提出了许多办法来纾解自适应光学系统对计算机数据处理速度的要求，例如用许多个小微透镜阵列来代替一个大微透镜阵列，用局部校正替换全局校正的自适应光学系统等。但这些方法都不能解决自适应波前传感的根本问题，所以很难用哈特曼-夏克波前传感技术实现高精度实时测量。自参考波前测量技术是光学测量技术的一个重要分支。自参考波前传感器早已成为光学元件、光学系统以及激光光束质量检测的重要手段，其检测精度可达到百分之一波长量级。其中点衍射干涉技术由于其高精度、高速率、强抗干扰能力以及低成本等优势在各种波前相位动态和静态高精度检测中得到了广泛的应用。其广泛的应用也推动了点衍射干涉研究的发展。1933年，Linnik最早在文献“Simpleinterferometerfortheinvestigationofopticalsystems”中提出了点衍射干涉仪的理论雏形，直到1974年，J.Strong和R.N.Smartt才在光学协会杂志上发表了“Point-diffractioninterferoment”一文，此文章详细地介绍了点衍射干涉仪的基本理论，并指出这套系统在理论上可达到很高的测量精度。自点衍射干涉仪被提出后，各国科研工作者做了大量工作，不断改进、完善点衍射干涉技术来提高其测量精度，扩展其应用范围。最近10来年，点衍射干涉技术依然是一个热门研究领域，在追求高精度测量的同时，点衍射干涉仪的简单化、小型化和集成化也越来越被重视。如杜永兆等人在文献“Circularcommon-pathpointdiffractioninterferometer,Opticsletters37,3927-3929(2012)”中提出的的环形共路点衍射干涉仪；后来HongyiBai等人在文献“CommonpathinterferometerbasedonthemodifiedMichelsonconfigurationusingareflectivegrating,OpticsandLasersinEngineering75,1-4(2015)”提出的更为紧凑的基于光栅的点衍射干涉仪可以对微小液滴挥发进行实施准确的测量。大部分点衍射干涉装置都采用针孔掩膜板产生理想参考波，掩膜板针孔质量是影响点衍射干涉装置准确性的关键，但高质量针孔掩膜版制作难度较高，成本也较大。光纤制造技术及耦合技术的发展为光纤取代点衍射干涉仪中的小孔提供了可能性，目前光纤纤芯直径已经能够达到2μm以下，并且光纤可以进一步拉成光纤锥，使得纤芯直径进一步缩小；这样光纤就能够衍射出更高质量的标准球面波，从而就可以设计出更高精度以及结构更加合理的点衍射干涉仪。HagyongKihm和YunWooLee在文献“Afiber-diffractioninterferometerusingacoherentfiberoptictaper,MeasurementScienceandTechnology21,105306(2010)”中提出了一种用于检测样品表面的光纤点衍射干涉仪，但是该光路较长，因此该光纤点衍射干涉仪对环境的抗干扰能力相对较弱且不利于集成化。
技术实现思路
本专利技术的目的正是顺应当前点衍射干涉仪发展趋势，并克服现有技术中的缺陷和不足，提出的一种基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪。该点衍射干涉仪采用光纤进行点衍射，利用光纤的可弯曲性，引导参考光束走向，而不必使用大量的反射镜，这样即能减少光学元件引入误差，又有利于装置结构的小型化和集成化。本专利技术的基本设计思想是：本专利技术提出一种基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪，该点衍射干涉仪采用光纤点衍射装置进行参考光生成，并采用分光镜在参考光与信号光之间引入空间线性载频，利用空间相位调制技术可以快速准确的测量待测光波前相位分布情况。该点衍射干涉仪的设置包括光学匹配系统、分光镜、第一和第二傅里叶透镜、CCD探测器和计算机系统；还包括两头分别放置在第一和第二傅里叶透镜各自焦点处的单模光纤。按光路描述，待测激光被分光镜分为透射光和反射光，透射光通过由两个傅里叶透镜和单模光纤组成的点衍射装置，产生近似理想的平面波作为参考光；反射光直接作为信号光。通过调节分光镜的倾斜角度引入空间线性载频，最后信号光与再次透过分光镜的参考光在相互重叠区域发生相干，形成含有待测光波前相位全部信息的空间线性载频干涉条纹被CCD探测器采集并传送至计算机系统。由于干涉条纹的空间线性载频大小可以通过调节分光镜的倾斜角度进行调节，因此只需要一副空间线性载频干涉条纹图就可以通过快速傅里叶变换法(FFT)或主成分分析法(PCA)就可以快速准确地复原出待测光的波前相位分布。为实现本专利技术的上述目的，本专利技术采用由以下技术措施构成的技术方案来实现的。本专利技术所述基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪，包括光学匹配系统、分光镜、第一傅里叶透镜和第二傅里叶透镜、CCD探测器和计算机系统；按照本专利技术，还包括两头分别放置在第一傅里叶透镜和第二傅里叶透镜各自焦点处的单模光纤；按光路描述，来自光学匹配系统的激光束，该待测激光被分光镜分为透射光和反射光，透射光通过由第一傅里叶透镜、第二傅里叶透镜和单模光纤组成的点衍射装置，产生近似理想的平面波作为参考光；反射光直接作为信号光；通过调节分光镜的倾斜角度引入空间线性载频，最后信号光与参考光在相互重叠区域发生相干，形成含有待测光波前相位全部信息的空间线性载频干涉条纹，并被CCD探测器采集再传送至计算机系统处理。上述方案中，所述分光镜为单波长分光镜，它同时起着分光、调节信号光和参考光光强比，以及在参考光与信号光之间引入空间线性载频的作用。上述方案中，所述单模光纤纤芯直径大小为艾里斑直径大小量级，以产生近似理想的球面波。上述方案中，所述的第一傅里叶透镜和第二傅里叶透镜均为正傅里叶透镜。本专利技术所述基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪，包括光学匹配系统、分光镜、第一傅里叶透镜和第二傅里叶透镜、CCD探测器和计算机系统；按照本专利技术，还包括置于光学匹配系统后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪，包括光学匹配系统(1)、分光镜(2)、第一傅里叶透镜(5)和第二傅里叶透镜(3)、CCD探测器(6)和计算机系统(7)；其特征在于还包括两头分别放置在第一傅里叶透镜(5)和第二傅里叶透镜(3)各自焦点处的单模光纤(4)；按光路描述，来自光学匹配系统(1)的激光束被分光镜(2)分为透射光和反射光，透射光通过由第一傅里叶透镜(5)、第二傅里叶透镜(3)和单模光纤(4)组成的点衍射装置，产生近似理想的平面波作为参考光；反射光直接作为信号光；通过调节分光镜(2)的倾斜角度引入空间线性载频，最后信号光与参考光在相互重叠区域发生相干，形成含有待测光波前相位全部信息的空间线性载频干涉条纹，被CCD探测器(6)采集并传送至计算机系统(7)处理。

【技术特征摘要】
1.一种基于空间相位调制的紧凑非等光程光纤点衍射干涉仪，包括光学匹配系统(1)、分光镜(2)、第一傅里叶透镜(5)和第二傅里叶透镜(3)、CCD探测器(6)和计算机系统(7)；其特征在于还包括置于光学匹配系统(1)后的载波片(8)和其上的待测样品(9)，以及两头分别放置在第一傅里叶透镜(5)和第二傅里叶透镜(3)各自焦点处的单模光纤(4)；按光路描述，来自光学匹配系统(1)的激光束通过载波片(8)上待测样品(9)后，被分光镜(2)分为透射光和反射光，透射光通过由第一傅里叶透镜(5)、第二傅里叶透镜(3)和单模光纤(4)组成的点衍射...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯国英，兰斌，董哲良，周寿桓，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51