波前传感器及用于确定若干光束之间存在的平移差和倾斜差的方法技术

一种波前分析器改造成简单地确定初始波前(S0)的不同区域中可存在的振幅差和倾斜差。为了达到这个目的，两个波之间的干涉只由来自所述初始波前上的相邻区域的射束(F1、F2)产生。这种分析器可以用来相干地合成由平行布置的不同源产生的激光辐射。另一应用是用于确定凯克望远镜的相邻反射镜区段之间存在的高度差和倾斜度差。

Wavefront sensor and method for determining translation difference and tilt difference between a plurality of beams

A wavefront analyzer is developed to simply determine the amplitude difference and the tilt difference that exist in different regions of the initial wavefront (S0). In order to achieve this, interference between the two waves is generated only by beams (F1, F2) from adjacent regions on the initial wave front. The analyzer can be used to coherently synthesize laser radiation produced by different sources arranged in parallel. Another application is used to determine the height difference between the adjacent Keck telescope mirror section and tilt of the poor.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及基于干涉的波前传感器。其还涉及用于确定能够产生干涉的若干个光束之间存在的平移(piston)差和倾斜差的方法。在本说明书中，表述“波面”和“波前”应被理解为同义词。类似地，术语“干涉图样”和“干涉图”也用作同义词。术语“倾斜”用来表示波前的倾斜度，并且“平移差”表示两个波前之间存在的行进的平均偏差，每个波前行进是在其传播方向上测量的。无论光辐射的光谱组成如何，都应用如此定义的平移差。因此，其也可被称为绝对平移差。然而，对于单色光辐射而言，由于电磁场的空间周期性，在静态表征(即，在某一时刻实施的表征)期间只能使用平移差的残余部分。这个残余部分被称为残余平移差，并且等于[Part_Dec(Δp/λ)]·λ，其中λ表示单色辐射的波长，Δp是绝对平移差，并且Part_Dec表示包含在括号之间的数字的小数部分。具体而言，当具有相同波长的单色光束结合在一起时，只有两个两个地得到的光束之间存在的残余平移差比较显著。但相反，对于光辐射的脉冲而言或对于多色光辐射而言，只有绝对平移差受关注。某些应用需要精确地确定若干光束的相应波前之间存在的平移差和倾斜。这种需要尤其出现在凯克(Keck)望远镜的反射镜调整过程中。该反射镜由并置的独立反射镜区段构成，每个反射镜区段最常具有六边形周边界限。因此，有可能形成直径约十米的完整反射镜，其中，具有单独测量到直径约一米的区段。然而，反射镜区段必须相对于彼此进行高度和倾斜度调整，以便由完整反射镜反射的光束的波前的斜率不具有由于相邻反射镜区段之间存在的高度和倾斜度的差异而导致的梯级或者突然变化。当来自多个激光源的光束相干地合成以获取最终的高强度射束时，也存在这种需要。当合成射束中所需的光强度非常高时，独立激光源的数量可能相当大。在单色激光源的情况下，分别源自激光源并且对应于同一个相位值的射束的独立波前必须在没有相位误差的情况下进行合成。由B·土伦(BToulon)于2009年11月20日在奥尔赛的巴黎第XI大学(UniversitéParisXIOrsay)答辩的标题为“Lamesured’amplitudescomplexesparinterférométrieàdécalagemulti-latéral”[通过多边剪切干涉法来测量复振幅]的论文具体提出一种基于四边形剪切干涉法的方法，以用于测量64个激光源之间的平移差和倾斜。在脉冲激光源的情况下，除非独立脉冲中的某些脉冲相对于其他脉冲不存在明显的延迟并且它们的传播方向没有差异，否则，由激光源分别产生的独立脉冲的组合本身并不是持续时间与独立脉冲的持续时间类似的脉冲。对于单色光束或光脉冲的相干合成的这些应用，使用基于干涉的波前传感器，所述波前传感器包括：-光输入部，旨在接收具有延伸穿过所述光输入部的初始波前的光辐射；-辐射分离器，布置为从分别源自光输入部中的受限区域的光束中产生用于每个光束的若干个子射束，每个子射束再现存在于对应受限区域中的初始波前的特性；-光路，布置为叠加分别源自光输入部内的不同受限区域并且各自经由不同光路传递的子射束；-至少一个图像检测器，布置为捕获由叠加的子射束产生的干涉图样；以及-处理模块，适于从干涉图样中确定叠加的子射束所源自的受限区域之间的初始波前存在的平移差和倾斜。然后，使用波前传感器，以对得自由激光源单独产生的独立波前的整体波前进行表征。在B·土伦提出的装置中，辐射分离器是产生对应于两个衍射级的组合的初始波前的四个复本的衍射光栅，所述两个衍射级各等于+1或-1。因此，辐射分离器从每个光束中产生四个子射束。光输入部内的受限区域与源自并置的激光源的独立光束的部分对应。这些配备有输出微透镜，使得独立射束各自具有平行或准直的射束结构。图像检测器随后捕获四射束干涉图的组合，从中可确定在光输入部内相邻的两个激光源之间存在的平移差和倾斜。根据衍射光栅相对于光输入部中的激光源的正方形分布图样的定向，获得两个不同的干涉模式。但在这两个模式中，干涉图均具有复杂结构，其中，具有不同类别的重叠区域。因此，从干涉图的任一个确定平移差和倾斜非常困难。由C·贝兰杰(C.Bellanger)等人在2010年12月1日的《光学快报》第35卷第23期的3931到3933页上发表的标题为“针对相干射束合成通过四波横向剪切干涉法对纤维激光器的阵列进行集体相位测量(Collectivephasemeasurementofanarrayoffiberlasersbyquadriwavelateralshearinginterferometryforcoherentbeamcombining)”的文章涉及相同类型的四波横向剪切干涉仪。基于这种情况，本专利技术的目的是允许更简单地确定能够产生干涉的光束的独立波前之间存在的平移差和倾斜。为此，本专利技术的第一方面提出诸如上文所述的波前传感器，但所述波前传感器也包括掩模，所述掩模适于借助此掩模中的开口来选择光输入部内分离的关注区域作为受限区域，至少部分阻挡这些关注区域外部的初始波前，或者至少部分阻挡非源自关注区域的光束。因此，如果掩模定位成靠近波前传感器的光输入部，则关注区域可由掩模中的开口直接确定，或者关注区域可通过经由传感器部件的光学共轭进行确定。借助此类掩模，无论初始波前的延伸和两个相邻的关注区域之间的光强度如何，图像检测器的单独部分都分别专用于在光输入部内相邻的关注区域对。那么，每个干涉图仅包括在图像检测器可以与其他干涉图的部分分离的部分内的、具有两个射束的干涉图样。从具有两个射束的这些干涉图样确定平移差和倾斜差比较简单，并且可容易且快速地实施。具体地，不需要计算干涉图的傅里叶变换。在本专利技术的优选实施例中，辐射分离器可包括衍射光栅。事实上，当由衍射光栅针对不同衍射级产生两个子射束时，在脉冲照射范围内起作用的每个子射束中的光子包含在传播前进的空间区段中，所述空间区段平行于衍射光栅。对于同一个照射脉冲，所有子射束的空间区段则彼此对准、平行于衍射光栅。子射束中的两个之间发生干涉的重叠区域则可以更大。对于从干涉图案中推断出的平移差和倾斜差的值，最终的准确性可更大。更具体地，波前传感器可布置成使得由衍射光栅针对每个射束产生的子射束对应于一个或多个衍射级数的值+1和-1。掩模则阻挡源自关注区域的、所有衍射级数的值均为零的子射束。有利的是，掩模和图像检测器可光学共轭。在这种情况下，图像检测器产生干涉的分离的部分对应于掩模的开口对。同一个对的两个开口的图像通过辐射分离器在图像检测器上彼此叠加。根据本专利技术的改进，波前传感器还可包括无焦光学系统，所述无焦光学系统布置在光输入部与图像检测器之间的辐射路径上，以通过光输入部内的相似空间缩放有效来相对于由图像检测器捕获的干涉图样变换初始波前。无焦系统的放大倍率的选择则使得能够相对于平移差的敏感性来独立地调整对相邻的关注区域之间的倾斜差的敏感性。在本专利技术的简单实施例中，光输入部、掩模、无焦光学系统、辐射分离器和图像检测器可按照波前传感器内的辐射传播方向以这个顺序布置。在这种情况下，掩模和图像检测器可通过辐射分离器由无焦光学系统光学共轭。该实施例尤其简单，并且集合了所提及的所有优点。例如，掩模可适于根据分布光输入部内的这些关注区域的六边形网来选择关注区域。随后，形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于干涉的波前传感器，包括：‑光输入部(10)，旨在接收具有延伸通过所述光输入部的初始波前(S0)的光辐射；‑辐射分离器，布置成从分别源自所述光输入部(10)内的受限区域的光束(F1、F2)来针对每个光束产生至少两个子射束(F’1、F”1、F’2、F”2)，每个子射束再现存在于所对应的受限区域中的所述初始波前(S0)的特性；‑光路，布置成叠加分别源自所述光输入部(10)内的两个不同受限区域并且各自经由不同光路传递的两个子射束(F”1、F’2)；‑至少一个图像检测器(13)，布置为捕获由所叠加的子射束(F”1、F’2)产生的干涉图样；以及‑处理模块(14)，适于从所述干涉图样确定所叠加的子射束所源自的受限区域之间的所述初始波前(S0)存在的平移(p)差和倾斜(i)差，所述波前传感器的特征在于，还包括掩模(11)，所述掩模(11)适于借助所述掩模中的开口来选择所述光输入部(10)内分离的关注区域(ZI)作为受限区域，通过至少部分地阻挡这些关注区域外部的初始波前(S0)或者通过至少部分阻挡非源自所述关注区域的光束，使得所述图像检测器(13)的独立部分(P)分别专用于在所述光输入部内相邻的关注区域对。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.19 FR 14588761.一种基于干涉的波前传感器，包括：-光输入部(10)，旨在接收具有延伸通过所述光输入部的初始波前(S0)的光辐射；-辐射分离器，布置成从分别源自所述光输入部(10)内的受限区域的光束(F1、F2)来针对每个光束产生至少两个子射束(F’1、F”1、F’2、F”2)，每个子射束再现存在于所对应的受限区域中的所述初始波前(S0)的特性；-光路，布置成叠加分别源自所述光输入部(10)内的两个不同受限区域并且各自经由不同光路传递的两个子射束(F”1、F’2)；-至少一个图像检测器(13)，布置为捕获由所叠加的子射束(F”1、F’2)产生的干涉图样；以及-处理模块(14)，适于从所述干涉图样确定所叠加的子射束所源自的受限区域之间的所述初始波前(S0)存在的平移(p)差和倾斜(i)差，所述波前传感器的特征在于，还包括掩模(11)，所述掩模(11)适于借助所述掩模中的开口来选择所述光输入部(10)内分离的关注区域(ZI)作为受限区域，通过至少部分地阻挡这些关注区域外部的初始波前(S0)或者通过至少部分阻挡非源自所述关注区域的光束，使得所述图像检测器(13)的独立部分(P)分别专用于在所述光输入部内相邻的关注区域对。2.根据权利要求1所述的波前传感器，其中，所述辐射分离器包括衍射光栅(12)。3.根据权利要求2所述的波前传感器，布置成使得由所述衍射光栅(12)针对每个射束(F1、F2)产生的所述子射束(F’1、F”1、F’2、F”2)对应于一个或多个衍射级数的值+1和-1。4.根据前述权利要求中任一项所述的波前传感器，其中，所述掩模(11)和所述图像检测器(13)光学共轭。5.根据前述权利要求中任一项所述的波前传感器，还包括无焦光学系统(100)，所述无焦光学系统(100)布置在所述光输入部(10)与所述图像检测器(13)之间的辐射路径上，以通过所述光输入部内的相似空间有效缩放，相对于由所述图像检测器捕获的所述干涉图样来变换所述初始波前(S0)。6.根据权利要求4和5所述的波前传感器，其中，所述光输入部(10)、所述掩模(11)、所述无焦光学系统(100)、所述辐射分离器和所述图像检测器(13)按照所述波前传感器内的所述辐射的传播方向以这个顺序布置，并且其中，所述掩模和所述图像检测器通过所述辐射分离器由所述无焦光学系统光学共轭。7.根据权利要求1到5中任一项所述的波前传感器，其中，所述掩模(11)和所述辐射分离器由空间光调制器一起形成。8.根据包括权利要求2的前述权利要求中任一项所述的波前传感器，其中，所述掩模(11)适于根据所述光输入部(10)内的所述关注区域的六边形分布网来选择所述关注区域(ZI)，并且所述衍射光栅(12)是具有六边形图样的二维光栅，并且定向成使得所述衍射光栅的对称轴关于所述波前传感器的光轴(Δ)与所述掩模的对称轴成90°。9.根据前述权利要求中任一项所述的波前传感器，其中，所述掩模(11)使得任何两个相邻的关注区域(ZI)具有同一个形状和同一个尺寸，并且被所述掩模位于所述两个相邻的关注区域之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛迪·贝朗格，马克西姆·德普兹，劳伦·隆巴尔迪，杰罗姆·普里莫特，
申请(专利权)人：奥尼拉国家宇航研究所，
类型：发明
国别省市：法国;FR