双光栅偏振点衍射干涉装置以及波前测试方法与流程

本发明属于光干涉测量的技术领域，具体涉及到采用双光栅偏振点衍射干涉装置，用于点衍射干涉动态波前检测技术。

背景技术：

点衍射干涉技术保留了干涉测量的高分辨测量的优势，又保证了共光路特性，使得波前检测同时具备高分辨、高精度优势。然而，此类技术仍处于起步阶段，尚有需要改进之处。主要表现为：保证共光路特性的同时实现空间移相。为了提升相位恢复精度，一般采用空间移相算法解调相位，而实现空间移相需要对相干光进行偏振调制。

现有的方案中或是采用了偏振点衍射板与微偏振阵列，或是采用mach-zehnder结构分别对相干光调制。对于前者，偏振点衍射板通过在偏振片上刻蚀针孔获得，不能得到偏振态严格垂直的相干光，使得相位恢复结果中包含误差；至于后者，需要采用多种光学元件实现相干光的分束与合束，较大程度地破坏了共光路结构，降低了系统精度。

技术实现要素：

为了解决现有点衍射干涉技术中，精度低、误差大的问题，本发明提供了一种用于点衍射干涉技术检测待测波前的双光栅偏振点衍射干涉装置。

实现本发明目的的技术方案为：一种双光栅偏振点衍射干涉装置，包括分束光栅、第一偏振片、点衍射板pdp、第二偏振片、平面镜、合束光栅；分束光栅与合束光栅均为一维光栅；

分束光栅进行分光，第一偏振片、点衍射板pdp、第二偏振片组成偏振式点衍射板；第一偏振片和第二偏振片的透振方向互相垂直，所述点衍射板pdp上设有衍射针孔和透射孔，直射光从点衍射板pdp透射孔透射而出，携带待测波前波差信息形成测试光，衍射光从点衍射板pdp衍射针孔衍射而出，经针孔滤波形成接近理想球面波的参考光；参考光经过平面反射镜反射到合束光栅，参考光以布儒斯特角入射进平面反射镜，达到提高参考光偏振度的目的，参考光与测试光在合束光栅处重叠，形成共光路结构。

参考光与测试光经过合束光栅发生衍射，取测试光的0级衍射光与参考光的+1级衍射光形成共光路相干光，经准直物镜入射到空间移相组件中，最后在ccd图像传感器上将同时采集到移相量相差90°的空间移相干涉图，采用移相算法解算待测波前。

基于一种双光栅偏振点衍射干涉装置的波前测试方法:

步骤一：待测波前入射到分束光栅(1)分成0级衍射光与+1级衍射光；

步骤二：0级衍射光与+1级衍射光经第一偏振片(2)、点衍射板pdp(3)、第二偏振片(4)组成偏振式点衍射板，衍射光从点衍射板pdp(3)的衍射针孔衍射而出，经针孔滤波形成接近理想球面波的参考光；直射光从点衍射板pdp(3)透射孔透射而出，携带待测波前波差信息形成测试光；

步骤三、参考光以布儒斯特角入射进平面反射镜(5)，提高参考光偏振度，平面反射镜(5)将参考光折转到合束光栅(6)处，并与测试光重叠；

步骤四：参考光与测试光经过合束光栅(6)发生衍射，取测试光的0级衍射光与参考光的+1级衍射光形成共光路相干光；

步骤五：相干光经准直物镜入射到空间移相组件中，最后在ccd图像传感器上采集到移相量相差90°的空间移相干涉图；

步骤六：采用移相算法解算待测波前：s11、s12、s13、s14分别为移相差相差90°的干涉图光强分布。

本发明与现有技术相比，显著优点为：相比采用偏振点衍射板与微偏振阵列的现有方案，相干光偏振态垂直，相位恢复结果包含误差较小；相比采用mach-zehnder结构分别对相干光调制的方案，减少了实现相干光分束合束的光学元件，较大程度的保留共光路结构，提高了系统精度。

附图说明

图1是双光栅偏振点衍射干涉波前测试系统。

图2是双光栅点衍射偏振调制系统。

图3是点衍射板pdp结构。

图4是空间移相组件结构。

图5是微偏振阵列结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，是双光栅偏振点衍射干涉波前测试系统，其中双光栅偏振点衍射干涉装置100及空间移相组件200及ccd图像传感器300，光线由双光栅偏振点衍射干涉装置100进行衍射干涉，形成共光路相干光，相干光进入空间移相组件200，最后在ccd图像传感器上采集到移相量相差90°的空间移相干涉图。

如图2所示，双光栅点衍射偏振调制系统，其中分束光栅1、第一偏振片2、点衍射板pdp3、第二偏振片4、平面反射镜5、合束光栅6。

如图3所示，点衍射板pdp3，其上设有透射孔3-1及衍射针孔3-2。

如图4所示，空间移相组件结构，其中包括第一透镜7，棋盘位相光栅8，滤波器9、延迟阵列组10、第三偏振片1、第二透镜12。

双光栅偏振点衍射干涉装置，沿光线入射的方向依次为分束光栅1、第一偏振片2、点衍射板pdp3、第二偏振片4、平面反射镜5、合束光栅6；所述分束光栅1进行分光，第一偏振片2、点衍射板pdp3、第二偏振片4组成偏振式点衍射板，第一偏振片2和第二偏振片4的透振方向互相垂直。

经过第一偏振片2的参考光入射平面反射镜5的角度为布儒斯特角。

基于双光栅偏振点衍射干涉装置的波前测试方法如下：

待测波前垂直入射到分束光栅1分成0级衍射光与+1级衍射光，垂直入射分束光栅1分光角度满足以下条件：

dsinθ＝mλ

d为光栅系数，θ为分光的夹角，m为分光级数，λ为波长。实施例中取0级衍射光与+1级衍射光，m为1。

直射光从点衍射板pdp3的透射孔3-1透射而出，携带待测波前波差信息形成测试光，衍射光从点衍射板pdp3的衍射针孔3-2衍射而出，经针孔滤波形成接近理想球面波的参考光。

第一偏振片2和第二偏振片4透振方向互相垂直，参考光以布儒斯特角入射进平面反射镜5，入射角与平面镜折射率满足：

tanλ＝n2/n1

λ为参考光入射平面反射镜的入射角，n2为平面反射镜折射率，n1为空气折射率，一般取1。依据菲涅尔公式，入射光的偏振态将被改变，在布鲁斯特角入射条件下，出射光的p分量将被抑制，反射波将仅含s分量。满足此式可实现参考光的二次起偏，达到提高参考光偏振度的目的。

反射镜5将参考光折转到合束光栅6处，并与测试光重叠，参考光与测试光经过光栅6发生衍射，取测试光的0级衍射光与参考光的+1级衍射光形成共光路相干光，经准直物镜入射到空间移相组件200。

在空间移相组件里，相干光经棋盘位相光栅g3分光，汇聚到l2的焦面处。采用空间滤波器sp选择(±1，±1)级衍射光入射到延迟阵列组cw上。cw采用光程延迟量依次为λ/4、λ/2、3λ/4、λ的子波片构成。调整延迟阵列的快轴方位角与pdp上的偏振片p2透振方向一致，再经过透振方向与p2夹45°的偏振片p3。

最后在ccd图像传感器300上将同时采集到移相量相差90°的空间移相干涉图，采用移相算法解算待测波前：s11、s12、s13、s14分别为移相差相差90°的干涉图光强分布。

此外，本发明专利的技术方案所采用的空间移相组件结构还可以用微偏振阵列替代，如图5所示其为微偏振阵列结构示意图，同样实现干涉相位调制的功能。