基于四波前横向剪切干涉的波前传感技术与应用(特邀)

高科技的发展对精密干涉成像提出了更高的要求。在现代光学和生物医学领域,无标记成像技术不依赖于传统的染料或荧光标记,进行3D活细胞原位观察和分析,促进定量相位显微术的发展。在光学检测技术领域,对于干涉系统的现场化、实时化的应用具有迫切需求,如激光波前的瞬态检测分析、高速流场检测、自适应光学的检测和控制、高精度光学系统像差分析等都迫切需要一个紧凑型、抗环境干扰、瞬态成像的干涉系统。为此,针对针对这些需求,全面介绍了四波前横向剪切干涉相位成像技术的原理、发展历程、波前重构方法以及其广泛的应用。四波前横向剪切干涉仪能够通过在一个单一的干涉图中获取两个正交剪切方向的四个剪切波前来实现瞬态相位成像,由随机编码光栅和相位棋盘组成新颖的四波干涉传感器(Four-wave Interferometric Sensor,FIS4)。FIS4干涉传感器凭借其独特的优势,如紧凑性、鲁棒性、高时间分辨率以及与现有显微系统的兼容性,在生物医学、光学测量、材料表征等众多领域展现出广阔的应用前景。这一技术的发展不仅为相关领域提供了新的研究工具,也为跨学科的创新和发现开辟了新的可能性。

一种新型横向剪切发生器

介绍一种新型横向剪切发生器，它利用各向异性晶体的双折射特性研制而成，能实现完全共光路、分步相移和剪切量的连续可调。实验测试结果及其成功应用证明了其理论设计的正确性。

一种光谱分辨率可调的新型空间调制傅里叶变换光谱仪

调整光谱仪的光谱分辨率,可使光谱仪在满足不同目标测量需求的同时,减少数据采集、处理和存储的时间,提高仪器的整体性能。为克服传统傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率固定的缺点,提出了一种分辨率可调的空间调制傅里叶变换光谱仪。介绍了该新型光谱仪及其干涉仪的工作原理,利用光线追迹的方法推导了光程差和横向剪切量的计算公式,并分析了新型干涉仪的光程等效模型。在此基础上,分析了光谱分辨率的调节原理。结果表明,该光谱分辨率可调的新型空间调制傅里叶变换光谱仪克服了传统光谱仪分辨率固定、稳定性差等缺点,具有分辨率可调、高稳定性、结构灵活和易于装调等特点。该研究内容为分辨率可调的干涉光谱仪的设计提供了理论基础,扩展了傅里叶变换光谱仪的实用范围。

基于横向剪切干涉图像的波像差求取技术

基于横向剪切干涉的光学系统像差检测实验,需要从干涉图像中解算出像差值.根据像差函数,完成了带有各类波像差的横向剪切干涉图像的模拟与处理,在此基础上,利用Zernike多项式法求解出波像差,所得结果与初始模拟值进行比较,误差在5%以内.

透镜初级球差的横向剪切干涉条纹研究

利用玻璃平行平板构成简单的横向剪切干涉仪可以观察到单薄透镜形成的准直光束的剪切干涉条纹,由干涉条纹分布求出对应的几何像差和离焦量.用焦距为190 mm的单薄透镜做实验,实验结果与计算机模拟结果符合,说明可以从剪切干涉条纹的分布求出透镜的轴向调整误差和初级球差.

横向剪切干涉纯背景条纹模拟

横向剪切干涉纯背景条纹因来源于剪切前后波面在重叠区的干涉,而受光学系统像差和附加相位的调制。根据横向剪切的成像理论,利用Matlab软件模拟纯背景条纹,分析离焦像差、球差等光学系统像差和附加相位差的影响。研究结果表明:条纹的密集度和形状受像差的影响很大,随附加相位差呈周期性分布。纯背景条纹的模拟与实验结果基本一致,对比这两种条纹,可调试实际光学系统以获得适宜的像差系数,利于干涉图的数据提取。

实时三光束横向剪切干涉仪

对三光束实时横向剪切干涉仪进行了全面深入的分析，导出了其位相测量原理及误差公式。分析表明三光束干涉相叠加产生的信号具有二倍频分量，与通常双光束干涉有根本区别，但是适当地使用这个信号并不会导致测相原理的复杂化，相反，还会降低测量方法的理论误差。

无方向制约的横向剪切干涉波前重建方法研究

为了解决横向剪切干涉波前重建技术受剪切方向限制的问题,提出了无方向制约的横向剪切干涉波前重建方法。首先对得到的任意两个剪切干涉图进行Radon变换得到剪切方向,在此基础上,将剪切方向参数引入现有的波前重建方法中,建立基于任意两方向剪切干涉图的波前重建模型,并给出波前重建算法流程。为了验证所提方法的有效性,仿真分析了多组任意两个方向剪切干涉图的波前重建精度,并与基于直角坐标轴正交方向上的两个剪切干涉图的波前重建结果进行比较。结果表明,在不改变波前重建精度的情况下,实现了基于任意两方向横向剪切干涉图的波前重建,有效消除了现有波前重建方法受剪切干涉图方向性的限制,避免了剪切方向与坐标轴之间的偏差所带来的波前重建误差。最后通过实验验证所提方法的正确性。

路径导引的四波横向剪切干涉波前重构方法

为了解决区域法在四波横向剪切干涉波前重构过程中噪声误差沿积分路径累积影响波前重构精度的问题,本文提出了一种路径导引的四波横向剪切干涉波前重构方法。首先分析了噪声环境下无积分路径导引的区域法波前重构存在噪声误差累积的缺陷,然后在此基础上建立了基于差分相位导数偏差的积分路径评价图模型,并给出了基于积分路径导引的波前重构算法流程。为了验证所提方法的有效性,本文进行了理论仿真研究,结果表明在不同信噪比噪声下所提方法能有效地阻止噪声误差的传播和累积。搭建了基于纯相位型液晶空间光调制器的实验验证装置,实验结果表明:所提方法重构波前与理论波前残差的RMS相比无积分路径导引区域法重构波前与理论波前残差的RMS降低了39.7%,且所提方法重构波前PV值与理论波前PV值的偏差相对无积分路径导引区域法重构波前PV值与理论波前PV值的偏差减小了1.6943λ。所提方法可为提高噪声环境下四波横向剪切干涉波前重构精度提供一种有效方法。

基于四波前横向剪切干涉仪的激光波前测试技术研究

四波前横向剪切干涉仪的出现为精确、快速地测试激光波前信息提供了很好的研究方法。概述了四波前横向剪切干涉仪的测试原理,对532nm半导体激光器和ZYGO-GPI干涉仪标准激光源的光束波前进行测试,得到平均椭偏率分别为0.977和0.900。通过对测量数据与激光器标称参数对比分析得出四波前横向剪切干涉仪能够精确地测量激光波前信息。