平行平板横向剪切干涉仪波前重建精度的研究

在基于平行平板双光路横向剪切干涉仪中,如果 两个方向的平行平板之间存在角度误差,将会使得 两个方向的剪切干涉图的剪切方向不正交,最终影响波前测量的准确度。本文通过仿真实验 研究了两个方 向平行平板之间不同大小的角度误差对波前重建精度的影响,分析了不同条件下Zernike多 项式系数拟合 精度、重建波前均方根(RMS)及均方根误差(RMSE)与角度误差之间的关系以 及角度误差一定时,重建波前 RMS及RMSE与剪切量之间的关系。研究结果表明,为了提高波前重建精度,要尽量降低两 个平行平板之 间的角度误差,使用更多项Zernike多项式来拟合波前,并且保证剪切量与波 面尺寸比值大于10%。本文的 结论对于平行平板横向剪切干涉仪的装调将会起到一定的指导作用。     

液晶空间光调制器波前模拟及误差补偿

反射式液晶空间光调制器(LC-SLM)反射基板的 曲率误差和液晶盒的边缘 场效应导致波前模拟精度下降问题,本文研究用LC-SLM模拟波前, 通过静态误差补偿法和残差反馈法,探讨提高波前模拟精度的有效方法。实验结果表明,LC -SLM能较好模拟基于Zernike多项式的离焦、像散、彗差和球差等8项波像差,但是具有一 定的模拟误 差,均方根误差(RMS)值平均为0.265λ ,静态误差补 偿法和残差反馈法使波前模拟误差RMS值分别降低到 0.223λ 和0.170λ,残差反馈法更有效。提高波前模拟精度能够使LC-SLM在 自适应光学技术、飞秒激光加工、实时全息显示和光学测量等领域具有更大的应用前景。     

基于深度神经网络的大气湍流压缩波前探测

压缩感知技术用于光学波前测量时，常规的斜率恢复方法精度较低，难以测量大气湍流引起的复杂波前，本文利用深度神经网络进行斜率恢复，提高斜率恢复精度，从而提高压缩波前探测方法测量大气湍流波前的精度。传统的压缩波前探测方法在稀疏化过程中忽略相对较小的斜率值，导致波前测量误差的增加。为了快速测量大气湍流引起的复杂波前，本文提出了一种深度神经网络，可以高精度地恢复斜率，从而提高了波前重构的精度。在压缩比为0.1～0.9情况下，基于深度神经网络的压缩波前探测算法（DNNCWS）的波前重构误差PV优于0.014μm，算法的运行时间为4.4 ms。在暗弱星等情况下，残差波前的峰谷值（PV）优于0.011μm。模拟结果表明，DNNCWS具有良好的抗噪声性能。深度神经网络DNNCWS提高了压缩波前的探测精度，可以用于测量大气湍流引起的复杂像差，还可用于其他自适应光学应用，如激光通信和视网膜成像。     

Ronchi剪切干涉光刻投影物镜波像差检测技术研究

Ronchi剪切干涉采用扩展光源调制光场空间相干性,具有干涉仪结构简单、共光路、零条纹检测等优点,适合用于光刻机投影物镜波像差原位检测。基于Ronchi剪切干涉的投影物镜波像差检测技术及系统,根据光栅衍射和空间相干性理论推导了Ronchi剪切干涉场的表达式。针对Ronchi剪切干涉仪多级衍射光寄生干涉对相位提取精度的影响,提出了一种十步相移算法,有效地消除±9级以内多级衍射的影响,理论上相位提取误差峰谷(PV)值为0.0046λ,均方根(RMS)值为0.0019λ,实验数据验证了理论推导的正确性和相位提取算法的有效性。     

大剪切量干涉的二维波前重建

提出一种基于模式展开和最小二乘拟合的算法，可以从大剪切量差分波前快捷地重建原始的二维波前。在傅里叶模式展开理论的基础上，从横向剪切干涉获得的差分波前，通过最小二乘拟合，可以计算出待测波前的傅里叶变换系数，重建出原始波前。针对大剪切量带来的差分相位数据维数减小的问题，提出了数据预处理方法。这个算法解决了已有的傅里叶模式估计理论中要求剪切量等于采样间隔的限制，可以应用于大剪切量干涉条件下的二维波前重建。     

激光束畸变波前高频相位的恢复

利用相位均方根(RMS)梯度描述的随机相位屏表示低频波前畸变,用扰动幅度表征的随机相位屏描述高频波前畸变,建立了激光束的畸变波前模型.根据已知的近场低频相位以及近场和远场光强分布,采用逐次逼近迭代法对畸变波前的高频相位进行了恢复,并从波前残差、波前峰谷(PV)值、波前RMS,波前功率谱密度(PSD)等不同角度对高频相位...     

会聚光横向剪切移相干涉

为了检测长光程情况或多组分光学镜头逐片装校中的波面,提出一种以会聚光波直接作为干涉测试光源的会聚光移相剪切干涉方法,阐述了基于迈克耳孙干涉仪原理的会聚光横向剪切干涉光路,建立了会聚光横向剪切波面的数学表达式,并与一般横向剪切干涉相比较,分析了剪切量和波面偏移量的特征,且引入移相干涉技术求取剪切波面.结果表明,会聚光横向剪切移相干涉测试,能够实时测试会聚光的波面质量,峰谷值(PV)的重复性为0.022λ,均方根(RMS)值的重复性为0.014λ,并与Zygo干涉仪的测量结果进行了对比,验证会聚光剪切移相干涉的可行性.     

利用相位差异技术检测离轴三反光学系统的波前误差

阐述了基于相位差异(PD)的波前传感技术的基本原理,针对该技术的目标函数变量多、非线性程度高等特点,提出了基于遗传算法的相位差异技术。开展了利用相位差异技术实现离轴三反光学系统在不同装调阶段的波前检测,结合干涉检验方法设计了针对扩展目标的相位差异高分辨率成像和相位估计对比实验。通过定量移动高精密平台获得焦面和离焦图像,并将解算的波前图与干涉仪的检测结果进行定量比对,验证了相位差异技术提高成像质量和正确解算波前相位信息的能力。实验结果表明,对于粗装调的光学系统,估算的波前和干涉检验结果偏差的均方根(RMS)值仅为0.0329λ;对于装调完成后的系统,相位差异技术的检测偏差RMS值小于0.013λ。     

径向剪切干涉波面重构的数值模拟分析

径向剪切干涉仪所采集到的干涉图并不直接反映原始待测波面信息,为了获得原始待测波面信息,波面重构是必要的。推导了波面重构的迭代算法,并用Matlab分别对径向剪切中不同迭代次数、不同剪切比的波面重构迭代算法进行了数值模拟,得出以下结论:合适的剪切比可以简化迭代运算,提高运算速度;与小畸变波面重构相比,残差波面PV值达到相同精度时,大畸变波面重构需要更多的迭代次数。待测波面的PV值大于10时,剪切比应在0.7以上,PV值大于6小于10,剪切比在0.5~0.7之间,PV值小于6,剪切比小于0.5。     

相位差异的三反光学系统波前传感技术

分析了基于相位差异（Phase Diversity,PD）的波前传感技术的基本原理,针对该技术的目标函数自变量多、非线性程度较高等特点,提出基于遗传算法（Genetic Algorithm,GA）的改进相位差异技术。在传统目标函数的基础上增加了Tikhonov 正则项,提高了算法的稳定性和收敛效率;对光学系统利用PD 技术波前检测的噪声适应性进行了仿真分析;模拟了不同波前离焦量对检测精度的影响,获得最优的波前离焦相位值并应用于检测实验;利用PD 技术分别对离轴三反光学系统的中心视场和边缘视场进行波前检测,并将解算得到的Zernike 系数和波前图分别与干涉检验的结果进行对比。实验结果表明:相位差异技术与干涉检验的偏差小于0.013（RMS）,其检测精度满足工程需求。     

利用相位恢复波前传感技术检测球面镜面形

为了验证相位恢复波前传感器系统波前检测的能力,搭建了基于相位恢复测量方法的波前传感器检测球面镜面形的实验平台。该平台结构简单,抗震动,可以在对光路不进行任何改变的前提下,利用成像系统上已有的相机对整个光学系统进行在位检测。为了验证相位恢复波前传感器测量方法的准确性,将相位恢复波前传感器测量结果与ZYGO干涉仪测量结果进行比较,实验结果表明在面形误差分布及误差的峰谷值(PV)和方均根值(RMS)上,两者具有极大的相似性,所以利用相位恢复波前传感器技术能有效地检测出球面镜的面形误差。     

可用于四波横向剪切干涉波前检测的随机编码混合光栅设计

提出了一种可用于四波横向剪切干涉波前检测的随机编码混合光栅。由期望得到的四波前衍射频谱出发,根据夫琅禾费衍射原理并结合光通量约束的随机编码方法得到了由振幅编码光栅和棋盘式相位光栅构成的随机编码混合光栅,与改进的哈特曼模板(MHM)相比,其衍射场中只有四个级次,更好地实现了四波横向剪切干涉。分析确定了入射光束口径、光栅栅距以及观察距离等系统参数。分别给出了随机编码混合光栅和MHM的远场衍射光场分布及四波横向剪切干涉图,对比发现随机编码混合光栅的远场衍射光场中只有四个等光强的光斑存在,其四波横向剪切干涉图稳定,可以实现任意畸变的波前检测。     

基于时域有限差分方法的点衍射波前误差分析

小孔的直径影响小孔衍射波前的误差,进而会影响点衍射干涉(PDI)检测的精度。基于矢量衍射理论中的时域有限差分(FDTD)方法,精确分析了可见光情况下衍射小孔直径接近以及小于入射光波长时所对应的衍射波前相对于标准球面波的偏离误差。数值仿真结果表明,当小孔的直径为400 nm时,所对应的数值孔径为0.65的衍射波前的误差峰谷值小于1 nm,而误差均方根值小于0.35 nm。随着小孔尺寸的减小,其衍射波前的误差进一步减小。仿真结果原理上验证了小孔点衍射干涉方法用于实现大数值孔径球面的高精度检测的可行性,并为实际检测中点衍射小孔尺寸的选择提供了精确的数值依据。     

穿越流场激光像差特性的动态测量——H-S波前传感器方法

用H-S(Hartmann-Shack)波前传感器可以精确测量穿过超声速流场的激光动态波面及其变化过程,进一步计算还可以获得光束质心漂移、远场分布等数据。讨论了利用H-S波前传感器测量穿过超声速流场激光波面的原理,并采用模式法进行波前重构,得到了在几种流场条件下的激光波面像差特性如PV和RMS、各阶Zernike像差系数,环围能量分布和Strehl比等。结果表明,采用H-S传感器进行测量、并用模式法进行波前重构可以较好反映流场建立、稳定和结束过程中各阶Zernike像差的变化。比较无流场和给定参数的超声速流场,激光穿越后产生的最明显变化为离焦A3和低阶像散A5的增大。     

中频波前均方根计算的空域预处理方法研究

中频波前均方根(PSD1)是用来评价光学元件中频段波前质量的关键参数，在对其进行数值计算之前，需要对波前数据进行频率域滤波。滤波后的数据易导致待测区域内、外的数据截断，引入较大的边缘高频误差与吉布斯噪声，从而严重影响了计算准确度。为了减小数据截断带来的影响，通过对边缘截断的数据做趋优填充，减少截断区域内外的空间频率突变。通过对现有的空域预处理方法进行对比，提出了一种四向扩展平均算法。经试验验证，所提出的方法可以较好地还原光学元件的中频段面形，显著提高PSD1测量准确度，试验表明所提出的方法较标准值的误差平均值小于5%。     

相位共轭技术在补偿高功率激光器动态波前像差中的应用

对于高功率激光器光束畸变的实际问题,目前提出的有些方法只能对像差进行有效的补偿,却不能补偿自相位调制所引起的畸变.针对激光谐振腔的失调问题进行简单理论分析及编写数值程序进行计算,提出相位共轭法能够对上述两种畸变进行有效的补偿,进一步针对实际采用相位共轭补偿技术的高功率Nd:YAG MOPA激光器的典型实验来进行分析,采用波前像差的PV值和RMS值的结果作为系统分析参数,得出相位共轭技术能有效地改善高功率激光器光束输出质量.     

基于Transformer结构的高精度湍流波前重构

动态变化的大气湍流和观测目标的亮度的降低严重影响了夏克-哈特曼波前传感器（SHWFS）探测波前的精度。针对这两种复杂的观测条件，本文提出了一种以Transformer结构为基础的神经网络模型，它具有很好的全局建模能力，可以高精度地从SHWFS光斑阵列图像中重建波前。通过在动态变化的典型大气湍流相干长度r0下进行仿真模拟，所提出的网络模型的残余波前RMS误差值稳定在0.010～0.024μm之间。与已有的方法相比，本文方法能够更准确地重构波前像差。此外，本文方法的重构精度受导星或观测目标的亮度变化影响很小。因此，本文方法的重构精度对两种观测条件变化均具有较强的稳定性，为大口径天文光学望远镜的高分辨率成像提供了一种有前景的方法。     

用双频相位调制的干涉仪

本文在理论和实验上研究了适合于测量位移和监督波前的双频相位调制干涉法。对由颗粒噪声、压电陶瓷的滞后作用、已调波及其振幅偏离值之间的相位移动决定的误差进行了分析，表明在实际条件下可得到2π／180的相位测量误差。     

激光缩束系统波前畸变精度分析

对大科学工程激光参数系统中的激光缩束系统各项装调误差进行了分析,缩束系统中组合物镜系统和目镜系统离焦误差对于系统波前畸变影响最大,并对不同离焦量产生的波前畸变PV值进行了分析,得到缩束系统波前畸变的变化与系统物镜和目镜离焦量并非线性关系。采用大孔径长焦距平行光管、光纤激光器和哈特曼传感器组成激光波前测试系统对激光缩束系统的波前进行实时测量和验证,经过波前计算机辅助技术,使其技术参数达到了波前畸变PV值优于0.2（=1.053 m）的要求。     

干涉条纹带宽与波前斜率分布关系研究

干涉测量法是测量科学中有效的手段之一,但受到检测带宽的限制,难以增大其动态测量方位或者检测面形的高频误差。结合角谱理论对干涉条纹空间频率及其带宽与波前斜率的关系进行了理论分析和仿真实验,得到了干涉条纹带宽与波前斜率的数值对应关系。结果表明,干涉条纹最大频率对应波前的最大斜率,由波前最大斜率可确定干涉检测的动态范围,即由波前斜率可以估算出干涉条纹带宽;反之,根据电荷耦合器件(CCD)分辨率确定干涉图的总带宽,可以计算出能测的最大波前斜率,对后续研究各种干涉方法的频谱特性以及如何进行频谱带宽的优化分配提供了理论依据。