专利名称：一种光场相位分布检测系统及检测方法
技术领域：
本发明属于光学技术领域，涉及一种光场相位分布检测系统及检测方法。主要用于光场分析、自适应光学、光学元件度量学、眼科学、光电检测、光学测量、仪器评估、天文学等领域中的光场相位分布检测。
背景技术：
光场相位分布检测的需求广泛存在于光场分析、自适应光学、光学兀件度量学、眼科学、光电检测、光学测量、仪器评估、天文学等领域中。例如，在自适应光学中，光场相位分布传感器件是适应光学系统中重要的单元之一，它是自适应光学系统中完成自适应能力的首要环节，根据波前变形检测的结果，通过控制单元，反馈控制已变形的波前相位分布，使其尽量恢复到理想情况，这就是光束波前相位检测器件的主要功能，并且必不可少。在光场分析领域中，波前相位检测起着非常重要的作用，特别是在完整分析强聚焦光场过程中，更是不可缺少，波前相位分布检测能够使光束描述更完整，对光束聚焦特性的理解更深刻，对聚焦光束的应用起着重要的方向性指导作用。在先技术中，存在检测光场相位分布的方法，参见美国专利7，595，729。专利名称是波前传感器(英文为Wavefront sensor),发明人是Van Heugten和Anthony Y,方法是被检测光束依次通过两个相互平行的屏，每个屏均具有二维阵列排布的圆形小孔，两个屏之间存在相对旋转夹角，这样光通过两个片后会产生莫尔效应(英文为Moire effect),通过检测透过光束实现光束波前相位的测量，这种方法虽然具有一定的优点，但是存在本质不足，I)这种方法本质上无法实现高空间分辨率的光束波前检测，即两个相连的光束波前横向检测点之间的距离不能达到纳米数量级，本质上受光波衍射理论的限制和圆形小孔阵列制作工艺上的限制；2)这种方法无法实现高数值孔径光学系统中的聚焦光束的波前相位检测，特别是当数值孔径高于O. 70时，光束的矢量效应变得显著，当在入射光束为激光光束时，由于激光光束为相干光，光的干涉和衍射效应十分明显，进一步导致这种方法的检测信噪比低，无法实现波前相位检测；3)无法实现小光束波前相位检测，当光束直径小于屏幕上的圆形小孔时，这种方法检测原理不成立，根本无法实现波前相位的检测；4)系统整体结构复杂，结构定位要求高，易收到外界干扰，并且需要二维光电按测器采集图像，这样波强相位检测精度受到光电传感器参数的限制，无法实现高灵敏度的相位分布测量。
发明内容
本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供一种光场相位分布检测系统及检测方法，具有实现简单、可分析聚焦光束的波前分布、可实现高空间分辨率的光束波前测量、 结构定位要求低、使用范围广等特点。本发明的基本构思是利用光纤分束器的近场光耦合相干技术和并列光纤探针扫描技术，基于光波相位可以显著影响光学干涉信号的原理，将光纤分束器的两个光信号输入端利用化学熔融法或热拉法，制作成两个光纤探针，将其并排靠紧进行固定，形成相位检测探针，将相位检测探针和光纤分束器的近场光耦合部分均固定在同一个扫描部件中，扫描驱动模块与扫描部件相连接，带动扫描部件进行移动，实现相位检测探针在被测光场中进行扫描，通过检测光纤分束器的光信号输出端的光强信号，得到光场相位分布。此方法实现简单、可分析聚焦光束的波前相位分布、可实现高空间分辨率的相位测量、结构定位要求低、使用范围广、可操作性强。—种光场相位分布检测系统,包括光纤分束器、光电探测器、扫描驱动模块和扫描部件，其特点是所述光纤分束器的输入端至少为两个，每个光纤分束器输入端的前端分别设置为圆锥形状，构成光纤探针；所有的光纤探针并排靠紧并固定，所有光纤探针的光纤传到部分相互固定，制成相位检测探针；相位检测探针和光纤分束器的近场光耦合部分均固定在同一个扫描部件中，光纤分束器的光信号输出端位于扫描部件外；扫描驱动模块与扫描部件相连接，光纤分束器的光信号输出端与光电探测器相连接。所述的光纤分束器为单模光纤分束器、多模光纤分束器、单模-多模混合型光纤分束器的一种。所述的光纤分束器其输入端数量大于或等于贰，并且输出端数量大于或等于壹。所述的扫描驱动模块为压电陶瓷纳米移动平台。所述的光电探测器为单传感面的光电二极管、雪崩管、光电倍增管的一种。一种光场相位分布检测系统的检测方法，其特点是运用光纤分束器的近场光耦合相干技术和并列光纤探针扫描技术，通过光电探测器检测光纤分束器输出端的光强信号，分析聚焦光束的波前相位分布，得到被测光场的相位信息，实现光场相位分布的测量。与现有技术相比，本发明具有如下优点和积极效果1、本发明由于使用光纤探针进行扫描，光纤探针的前端通光孔径利用现有成熟技术可以达到30-50纳米的尺度，同时本发明是利用扫描部件带动相位检测探针进行扫描， 如果扫描部件采用高精度压电陶瓷纳米平台，扫描精度可以达到O. 5纳米，即使采用步进电机作为扫描部件，也可以达到亚微米量级，所以本发明可以实现高空间分辨率的光束波前检测。2、本发明米用光纤分束器的近场光稱合相干技术和并列光纤探针扫描技术相结合，对被测光场没有任何限制，可以是平行光束，也可以是会聚光束，所以本发明在本质上解决了在先技术的局限性，可以实现高数值孔径光学系统中的聚焦光束的波前相位测量。3、本发明采用光纤探针进行光信号输入，可以达到几十个纳米的尺度，远小于光波的衍射极限，可以进行小光束波前相位测量。4、本发明使用单传感面的光电传感器，光电传感信噪比高，基于光纤传感，系统结构简单，结构定位要求低，抗干扰性强，可实现高灵敏度的相位分布测量。
图I为本发明一种光场相位分布检测系统实施例结构不意图。1、第一光纤探针，2、第一光信号输入端,3、光纤分束器的近场光稱合部分,4、第一光信号输出端，5、光电探测器一,6、第二光纤探针,7、第二光信号输入端,8、扫描部件,9、第二光信号输出端，10、光电探测器二，11、扫描驱动模块,12、孔径会聚光束。
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。如图I所示一种光场相位分布检测系统，包括光纤分束器、光电探测器、扫描驱动模块和扫描部件，本实施例选择了 2x2的单模光纤分束器,光纤分束器的输入端为两个, 光纤分束器的输出端为两个，光电探测器为两个，具体结构如下(I)将光纤分束器的第一光信号输入端2和第二光信号输入端7的前端利用化学熔融法，将光纤前端制成圆锥形状，构成第一光纤探针I和第二光纤探针6。本实施例中选择了 2x2的单模光纤分束器，通过化学熔融法，将两个光信号输入端溶成圆锥形状，通过电子显微镜检测到光纤探针的顶端直径为50纳米；(2)将第一光纤探针I和第二光纤探针6排靠紧进行固定，第一光纤探针I和第二光纤探针6的光纤传到部分相互固定，制成相位检测探针。本实施例中利用紫外固化胶将两个光纤探针进行排靠紧固定；(3)将由第一光纤探针I和第二光纤探针6构成的相位检测探针和光纤分束器的近场光稱合部分3均固定在同一个扫描部件8中,光纤分束器的光信号输出端位于扫描部件外，包括第一光信号输出端4和第二光信号输出端9。本实施例中扫描部件8为铝制矩形壳体，器件与壳体间的固定均采用胶合固定。(4)扫描驱动模块11与扫描部件8相连接，带动扫描部件8进行移动，实现由第一光纤探针I和第二光纤探针6构成的相位检测探针在被测光场中进行扫描。本实施例中的扫描驱动模块11采用德国PI公司的三维压电陶瓷纳米移动平台，将扫描部件8与扫描驱动模块11的移动部件相固定。(5)由于米用了 2x2的单模光纤分束器,有两个光信号输出端,本实施例中在第一光信号输出端4和第二光信号输出端9的光纤末端分别连接了光电探测器一 5和光电探测器二 10，光电探测器一 5和光电探测器二 10采用的是日本滨淞产的光电倍增管。运用光纤分束器的近场光稱合相干技术和并列光纤探针扫描技术，由扫描驱动模块带动扫描部件进行移动，相位检测探针在被测光场中进行扫描的过程中，检测光电探测器一 5或光电探测器二 10的光强信号，分析聚焦光束的波前相位分布，就得到了被测光场的相位信息。本发明所述的光纤分束器还可以采用多模光纤分束器或单模-多模混合型光纤分束器。本发明所述的光电探测器还可以采用光电二极管或雪崩管。本实施例采用本发明设计的光场相位分布检测系统，成功完成了 O. 25数值孔径会聚光束12的相位分布检测，与在先技术进行了比较，本发明克服了现有技术中的本质不足，具有实现方法简单灵活、结构定位要求低、系统可靠性和稳定性高、可操作性强、可分析聚焦光束的波前分布、可实现高空间分辨率的光束波前测量等特点。
权利要求
1.一种光场相位分布检测系统，包括光纤分束器、光电探测器、扫描驱动模块和扫描部件，其特征在于所述光纤分束器的输入端至少为两个，每个光纤分束器输入端的前端分别设置为圆锥形状，构成光纤探针；所有的光纤探针并排靠紧并固定，所有光纤探针的光纤传到部分相互固定，制成相位检测探针；相位检测探针和光纤分束器的近场光耦合部分均固定在同一个扫描部件中，光纤分束器的光信号输出端位于扫描部件外；扫描驱动模块与扫描部件相连接，光纤分束器的光信号输出端与光电探测器相连接。
2.根据权利要求I所述的一种光场相位分布检测系统，其特征在于所述的光纤分束器为单模光纤分束器、多模光纤分束器、单模_多模混合型光纤分束器的一种。
3.根据权利要求I所述的一种光场相位分布检测系统，其特征在于所述的光纤分束器其输入端数量大于或等于贰，其输出端数量大于或等于壹。
4.根据权利要求I所述的一种光场相位分布检测系统，其特征在于所述的扫描驱动模块为压电陶瓷纳米移动平台。
5.根据权利要求I所述的一种光场相位分布检测系统，其特征在于所述的光电探测器为单传感面的光电二极管、雪崩管、光电倍增管的一种。
6.根据权利要求I所述的一种光场相位分布检测系统的检测方法，其特征在于运用光纤分束器的近场光耦合相干技术和并列光纤探针扫描技术，通过光电探测器检测光纤分束器输出端的光强信号，分析聚焦光束的波前相位分布，得到被测光场的相位信息，实现光场相位分布的测量。
全文摘要
本方法涉及一种光场相位分布检测系统及检测方法，包括光纤分束器、光电探测器、扫描驱动模块和扫描部件，光纤分束器的输入端至少为两个，光纤分束器输入端的前端分别设置为圆锥形状，构成光纤探针；光纤探针并排靠紧并固定，光纤探针的光纤传到部分相互固定，制成相位检测探针；相位检测探针和光纤分束器的近场光耦合部分均固定在同一个扫描部件中，光纤分束器的光信号输出端位于扫描部件外；扫描驱动模块与扫描部件相连接，光纤分束器的光信号输出端与光电探测器相连接。通过光电探测器检测光纤分束器输出端的光强信号，分析聚焦光束的波前相位分布，实现光场相位分布的测量。本发明结构简单、使用方便，可实现高空间分辨率相位测量。
文档编号G01J1/04GK102589685SQ201210062529
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月9日 优先权日2012年3月9日
发明者庄松林, 耿滔, 董祥美, 郭宝光, 高秀敏 申请人:上海理工大学