波前傳感器的技術革命-----四波剪切幹涉技術

作者：陳昌營，上海昊量光電設備有限公司技術工程師

摘要：

波前傳感器(波前分析儀)是自適應光學係統最重要的組成部件之一，決定了自適應光學係統最終的調製結果。同時波前探測器在激光、天文、顯微、眼科等複雜自適應光學係統的波前像差檢測，虹膜定位像差引導，大口徑高精度光學元器件檢測，平行光管/望遠鏡係統的檢測與裝調，紅外、近紅外探測，激光光束性能、波前像差、M^2、強度的檢測，高精密光學元器件表麵質量的檢測等領域發揮著越來越重要的作用。法國PHASICS公司研發團隊，突破傳統技術的壁壘，成功研發出了世界上分辨率最高的四波剪切幹涉技術波前探測器。本文簡單介紹了波前傳感器的原理和典型應用，以及四波剪切幹涉技術原理，比較了剪切幹涉技術的波前分析儀與傳統哈特曼傳感器的特點。

引言：

波前傳感器（Wave Front Sensor），按照其技術發展的曆史可以分為三個階段：第一階段，1900年德國科學家哈特曼采用挖孔的光闌技術製作完成了世界上第一個可以用於檢測波前的傳感器。第二階段，1971年R.K.Shack采用為透鏡陣列研發成功了精度更高的夏克-哈特曼波前分析儀。2000年法國Phasics研發團隊采用四波剪切幹涉技術成功研發了基於四波橫向剪切幹涉技術（4-Wave Lateral Shearing Interferometry），該波前探測器具有高分辨率（400300）、高動態範圍（500 um）、消色差、高靈敏度、高相對精度（2nm RMS）、無需校正、體積小、操作簡便等特點。上海昊量光電設備有限公司代理的法國phasics波前相差儀可以實時測量成像係統瞳麵波前誤差，然後將這些測量數據轉換成自適光學係統的控製信號，並對成像係統的光學特性進行實時控製，實時校正入射光束波前變形，從而補償又大氣湍流引起的波前畸變，使物鏡得到接近衍射極限的目標像。

四波剪切幹涉技術原理：

剪切幹涉技術基本原理是將待檢測的激光波前分成兩束，其中的一束相對於另一束橫向產生一些錯位，兩束錯位的光波各自保持完整的待測波前信息，相互疊合後，產生幹涉現象，CCD/CMOS相機會接收幹涉圖樣，進行相應的計算分析，從而利用傅立葉變換的相關計算，分析出待測波前的相位分布，以及強度分布等。基於幹涉條紋的疏密度敏感於波前的斜率，因此波前傳感器在探測波前的偏離範圍較傳統的哈特曼傳感器具有更大的優越性。

波前傳感器的典型應用

光在傳輸的過程中會經過不同的介質，不同的介質由於其構成物質的分布不均勻，從而導致光的波前產生各種各樣的變化，自適應係統便應運而生。作為自適應係統中重要的一環，波前傳感器的檢測精度，動態範圍等等因素，都製約著自適應係統最終的調製結果。由於剪切幹涉波前分析儀具有分辨率高，探測精度高，探測速度快，操作簡便，可直接的三維顯示波前畸變的模式等優點，目前已經得到了廣泛的使用。

1、自適應光學係統實時波前探測

在自適應光學係統中利用Phasics波前傳感器檢測到精確的波前畸變信息，反饋給波前校正係統以補償待測波前的畸變，從而可有效的降低湍流應的影響，補償大氣湍流引起的光波相位擾動。

2、激光光束性能、波前像差、M²、強度等的檢測

激光光束質量是激光器的一個重要的技術指標參數，主要是指光束在傳播中橫截麵的場強分布及變化，主要的參量包括：光束直徑，傳播模式，遠場發散角，光斑方向漂移等。研究波前相位的畸變是分析激光裝置中腔鏡變形的主要依據，提高波前性能是提高光束質量的重要手段。

波前分析儀可以用於激光波前的檢測，同時可以得到激光的光強分布和其他的激光光束質量參數，為同時檢測激光波前和光束質量提供了一種高精度，高靈敏度，實時3D顯示，簡便可行的新方法。

3、精密光學元器件檢測

隨著科技的進步，人們對精密光學元器件的生產技術指標要求越來越高，波前探測器能給精密的對光學元器件進行檢測，實時得到精確的監測數據，對於精密光學元器件的生產無疑產生了一場新的技術革命。相對於傳統的幹涉儀檢測光學元器件的波前，Phasics波前分析儀更適合像差、球差較大的非球麵透鏡的檢測。波前分析儀具有無需標準件，體積小，精度高，數值孔徑大（可達0.75），等優點。上海昊量光電設備有限公司可根據客戶的實際檢測需求，做個性化的波前傳感器檢測方案。

4、激光等離子體檢測分析

法國Phasics公司（昊量光電代理）SID4係列等離子體分析儀(Plasma Diagnosis)是一款便攜式、高靈敏度、高精度的等離子體分析儀。該產品基於波前分析的四波剪切幹涉技術，可實時檢測激光產生的等離子體的電子密度、模式及傳播方式。可實時的監測等離子體的產生、擴散過程，以及等離子體的品質因數。可以更好地為客戶在噴嘴設計、激光脈衝的照度、氣壓、均勻性等方麵提供最優化的數據支持。