波前传感器的技术革命-----四波剪切干涉技术

作者：陈昌营，上海昊量光电设备有限公司技术工程师

摘要：

波前传感器(波前分析仪)是自适应光学系统最重要的组成部件之一，决定了自适应光学系统最终的调制结果。同时波前探测器在激光、天文、显微、眼科等复杂自适应光学系统的波前像差检测，虹膜定位像差引导，大口径高精度光学元器件检测，平行光管/望远镜系统的检测与装调，红外、近红外探测，激光光束性能、波前像差、M^2、强度的检测，高精密光学元器件表面质量的检测等领域发挥着越来越重要的作用。法国PHASICS公司研发团队，突破传统技术的壁垒，成功研发出了世界上分辨率最高的四波剪切干涉技术波前探测器。本文简单介绍了波前传感器的原理和典型应用，以及四波剪切干涉技术原理，比较了剪切干涉技术的波前分析仪与传统哈特曼传感器的特点。

引言：

波前传感器（Wave Front Sensor），按照其技术发展的历史可以分为三个阶段：第一阶段，1900年德国科学家哈特曼采用挖孔的光阑技术制作完成了世界上第一个可以用于检测波前的传感器。第二阶段，1971年R.K.Shack采用为透镜阵列研发成功了精度更高的夏克-哈特曼波前分析仪。2000年法国Phasics研发团队采用四波剪切干涉技术成功研发了基于四波横向剪切干涉技术（4-Wave Lateral Shearing Interferometry），该波前探测器具有高分辨率（400300）、高动态范围（500 um）、消色差、高灵敏度、高相对精度（2nm RMS）、无需校正、体积小、操作简便等特点。上海昊量光电设备有限公司代理的法国phasics波前相差仪可以实时测量成像系统瞳面波前误差，然后将这些测量数据转换成自适光学系统的控制信号，并对成像系统的光学特性进行实时控制，实时校正入射光束波前变形，从而补偿又大气湍流引起的波前畸变，使物镜得到接近衍射极限的目标像。

四波剪切干涉技术原理：

剪切干涉技术基本原理是将待检测的激光波前分成两束，其中的一束相对于另一束横向产生一些错位，两束错位的光波各自保持完整的待测波前信息，相互叠合后，产生干涉现象，CCD/CMOS相机会接收干涉图样，进行相应的计算分析，从而利用傅立叶变换的相关计算，分析出待测波前的相位分布，以及强度分布等。基于干涉条纹的疏密度敏感于波前的斜率，因此波前传感器在探测波前的偏离范围较传统的哈特曼传感器具有更大的优越性。

波前传感器的典型应用

光在传输的过程中会经过不同的介质，不同的介质由于其构成物质的分布不均匀，从而导致光的波前产生各种各样的变化，自适应系统便应运而生。作为自适应系统中重要的一环，波前传感器的检测精度，动态范围等等因素，都制约着自适应系统最终的调制结果。由于剪切干涉波前分析仪具有分辨率高，探测精度高，探测速度快，操作简便，可直接的三维显示波前畸变的模式等优点，目前已经得到了广泛的使用。

1、自适应光学系统实时波前探测

在自适应光学系统中利用Phasics波前传感器检测到精确的波前畸变信息，反馈给波前校正系统以补偿待测波前的畸变，从而可有效的降低湍流应的影响，补偿大气湍流引起的光波相位扰动。

2、激光光束性能、波前像差、M²、强度等的检测

激光光束质量是激光器的一个重要的技术指标参数，主要是指光束在传播中横截面的场强分布及变化，主要的参量包括：光束直径，传播模式，远场发散角，光斑方向漂移等。研究波前相位的畸变是分析激光装置中腔镜变形的主要依据，提高波前性能是提高光束质量的重要手段。

波前分析仪可以用于激光波前的检测，同时可以得到激光的光强分布和其他的激光光束质量参数，为同时检测激光波前和光束质量提供了一种高精度，高灵敏度，实时3D显示，简便可行的新方法。

3、精密光学元器件检测

随着科技的进步，人们对精密光学元器件的生产技术指标要求越来越高，波前探测器能给精密的对光学元器件进行检测，实时得到精确的监测数据，对于精密光学元器件的生产无疑产生了一场新的技术革命。相对于传统的干涉仪检测光学元器件的波前，Phasics波前分析仪更适合像差、球差较大的非球面透镜的检测。波前分析仪具有无需标准件，体积小，精度高，数值孔径大（可达0.75），等优点。上海昊量光电设备有限公司可根据客户的实际检测需求，做个性化的波前传感器检测方案。

4、激光等离子体检测分析

法国Phasics公司（昊量光电代理）SID4系列等离子体分析仪(Plasma Diagnosis)是一款便携式、高灵敏度、高精度的等离子体分析仪。该产品基于波前分析的四波剪切干涉技术，可实时检测激光产生的等离子体的电子密度、模式及传播方式。可实时的监测等离子体的产生、扩散过程，以及等离子体的品质因数。可以更好地为客户在喷嘴设计、激光脉冲的照度、气压、均匀性等方面提供最优化的数据支持。