四波剪切波长探测实验研究(2)

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1 引言

1.1 论文研究背景

在早期的激光研究中，研究者们将主要的研究精力投入在激光的光强和输出功率上，以光强的分布来评价激光束的质量。随着现代科学技术的发展，激光技术和现代光学加工技术也在飞速发展。由于光学元件面形检测和波前畸变检测等要求越来越高，光学检测技术也在不断提高，检测系统结构也趋向于复杂。由于光学元加工和波前畸变测量的特殊性，传统的光学检测技术已经满足不了现在检测精度的要求。传统光学检测方法有需要标准参考面、精度低、检测周期长、难以用于现场测量等缺点，因此激光的波前检测研究就有着重大意义。其中激光的横向剪切干涉波前检测技术就能能够很好的解决传统光学检测方法中存在的很多问题，它能实现对任意面形的高精度、静态和瞬态实时测量，指导光学元件加工和波前畸变的控制。

近年来，大型激光应用项目不断发展，特别是像用于激光核聚变和远程能量输送的这类大型激光仪器，设计结构复杂，对远场光强分布要求非常高，要想实现这种要求的光强分布，必须要了解其相位分布。神光项目和诸多军事激光项目等都需要高精度的激光波前检测仪器，尤其是瞬态波前检测仪器，这都需要波前检测技术的不断发展来满足。

1.2 波前检测的方法及各方法的利弊

1.2.1 哈特曼检验法

哈特曼法的基本原理为：按照检测前规定好的方法，用光阑在波面经过一些位置进行采样，再通过观察来得出采样点之间的位置关系，就可得到重构波面以及相差的大小。即一种利用光阑测量波面采样点在像面上的横向偏差，从而得到波面在所采样的局部误差的检测方式[1]。

采用阵列孔径进行波面采样是哈特曼法的主要原理，与平行光管测量类似，由于采样孔径衍射极限角有一定的分辨能力，所以测量点波面斜率时，会受到一定限制。又由于被测面的直径远大于采样孔径，所以采样孔径的衍射极限角远大于哈特曼阵列全口径的衍射极限。哈特曼法的优点在于：可以将空气扰动经平均（长时间曝光）而消除。缺点在于哈特曼检验时，截面处所得到的光斑直径比较大，光斑质心坐标的测量精度比较低，并且是只利用到了光阑上开孔部分的光线，所以光能损失比较大。

1.2.2夏克-哈特曼检验法

1971，夏克对哈特曼法进行了改进，将一小透镜阵列置于入射光路上，并将一个检测器放置在焦点后方的一个位置上，通过检测器检测到的光斑点阵来标定平面光束。这种方法就叫做夏克-哈特曼检测法[1]。这种方法是哈特曼检测法原理的一个巨大改进。用阵列透镜替换掉哈特曼光阑，不仅仅提高了光斑质心的测量精度，还大大地提高了光能的利用效率。图1.2就是夏克哈特曼法的基本原理图。测量出阵列透镜的焦面上所测出的畸变波前所成像斑的质心坐标和参考波前质心坐标的差，再运用几何关系就可以计算出畸变波前在被各阵列透镜分割的子孔径范围内波前的平均斜率，从而可求出被测系统全孔径的波像差[2]。论文网

相比较于哈特曼法，夏克-哈特曼法的检测精度更高，但由于夏克-哈特曼法需引入阵列透镜，所以检测系统相对较为复杂。除此之外，夏克-哈特曼法只能用来检测汇聚球面波，而哈特曼法既可以检测汇聚球面波，也可以用来检测准直波前。

1.2.3剪切干涉法

剪切干涉法是一种在很多领域都有应用的重要干涉方法。通常按照剪切方向或剪切方法对它进行分类。按照剪切的方向分，可分为径向剪切，横向剪切，反转剪切，旋转剪切，反转剪切；按照剪切方法分，可分为渥拉斯顿棱镜剪切干涉，平板剪切干涉，光删剪切干涉等。其中横向剪切干涉在光学测试领域中占有很重要的地位，其主要的优点在于它是待测波面与其自身产生的横向剪切波面相干涉，不需要另外引入参考波，因此，也不需要配备高精度参考镜。但是需要引入大小至少与被检系统口径相当的剪切板，对剪切板的均匀性和尺寸都有较高的要求[3]。