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基于单衍射元件的径向剪切干涉技术研究

王忠宇  
【摘要】:随着科学技术的不断发展,干涉波前探测技术因具有非接触、高灵敏度和高精度等特点而得到广泛的应用。其中需要标准参考光的干涉仪主要致力于高精度面形检测,自相干干涉仪主要致力于探测连续变化的动态波前。在众多的自相干干涉技术中,径向剪切干涉波前探测技术容易设计成共光路,仅需要获得径向方向的斜率,无信息丢失,可以极大地减小系统误差。经过半个多世纪的发展,径向剪切干涉波前探测技术在数理模型、剪切结构、波前重构算法等方面进展显著。然而,为了实现径向剪切干涉,径向剪切干涉仪的结构还是非常的复杂,需要多个光学元件构成;同时为了处理干涉图,需要在光路中引入额外的空间载频或者相移,破坏了系统的稳定性;另外,径向剪切率调整不便,对不同的探测目标不容易调整。上述不足极大地限制了径向剪切干涉仪的应用场景,因此有必要在这些方面展开相关的研究。本文围绕径向剪切干涉波前探测技术存在的主要问题:结构复杂,从干涉图中提取相位困难,径向剪切率调整不便,对径向剪切干涉仪进行了深入研究,取得了一系列的研究成果。首先,对于径向剪切干涉波前探测技术存在的结构复杂问题,针对性的提出了基于单个菲涅尔波带片的多波前径向剪切干涉仪。这是首次提出基于单个菲涅尔波带片的多波前径向剪切干涉仪,与双菲涅尔波带片径向剪切干涉仪比较,其光路中不需要加入小孔滤掉多余光束,菲涅尔波带片衍射的多个孔径不同的光束直接干涉;推导了其解析的数学原理公式,并给出了相应的相位提取算法,数值仿真结果和实验结果证明了这种干涉技术及相位提取算法的可行性。这种多波前径向剪切干涉仪仅需要一个波带片和一个图像探测器,在相位提取的过程中不需要在光路中引入额外的空间载频或者相移,并且径向剪切率调整方便,适用于大动态范围波前探测。但是,这种多波前干涉仪产生的干涉图,不同区域的对比度不同,导致低对比度的区域误差较大。其次,针对上述问题,进一步基于已知的Gabor波带片,提出了一种余弦波带片,并设计了基于这种余弦波带片的径向剪切干涉仪。这种余弦波带片有且仅有两个焦点,在光路中无小孔滤波的情况下,依然可以实现双光束径向剪切干涉。基于余弦波带片的径向剪切干涉仪不仅结构简单,调整方便,而且干涉图容易辨识和处理,并且具有较高的环境适应能力和较大的测量动态范围。数值仿真结果表明,该方法能够对波前畸变进行有效测量。这种干涉仪结构简单,径向剪切率可调,而且双光束干涉的干涉条纹分布更清晰。另外,通过仿真分析,给出了系统参数的选取方法。最后,设计并搭建了基于余弦波带片的径向剪切干涉波前探测技术的原理性实验系统。在分析了余弦波带片的制作工艺的基础上,根据理想的余弦波带片透射率函数,提出了随机编码余弦波带片,利用菲涅尔衍射公式,给出了光学衍射特性的评价指标,确定了随机编码余弦波带片的编码参数,并对加工误差进行了分析。搭建的原理实验系统实现了波前重建,验证了提出方法的正确性,与ZYGO干涉仪的实验结果对比,RMS差别不大于0.003λ,表明了其较高的测量精度。另外验证了不同波前探测场景和不同硬件条件下的波前探测性能,为实际应用的系统结构和参数设计提供了理论指导。


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