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激光在产生、输出和传输过程中都不可避免地要受到各种因素的影响,从而导致光束质量下降,因此,了解并利用技术手段探测各种扰动造成的波前畸变对于激光光束质量的提高、光学系统成像质量的改善以及自适应光学的相位校正都具有极其重大的意义。
为了解激光输出光束的相位特性,需要利用波前探测器探测输出激光各种频率的波前信息,干涉传感器能将波面信息如实地反映在条纹上,为波前相位探测提供了一种有效的手段。
通过对各种波前探测手段的比较,选取横向剪切干涉仪作为本课题的研究对象,对横向剪切干涉仪的原理、横向剪切干涉图的处理以及横向剪切波前复原方法进行了系统的研究。
本文系统地研究了横向剪切干涉仪的原理及影响因素,通过原理分析选择了较为合适的平板厚度、楔角以及入射角。
通过数值模拟对各种单帧干涉图处理算法进行了分析,结合本文的具体特点,选择了基于最小二乘迭代的空间载波相移算法进行干涉图处理,并提出了环形孔径上的基于最小二乘迭代的空间载波相移算法;对可能影响空间载波相移法处理精度的影响因素详细的讨论。
通过深入分析傅里叶变换法,提出了一种不需要移动正一级频谱至零级谱位置就可以有效去除倾斜(载波)并规避系统误差的方法;对影响傅里叶变换法处理精度的因素进行了详细地分析。该方法受噪声的影响比较小,背景和对比度分布会降低其处理精度,但是通过本文的去背景方法能够一定程度上提高其精度,合适的载波大小是该方法获得较高精度的前提。
通过在传统的最小二乘法中引入待测波面的二阶导数,对传统的最小二乘横向剪切波面复原算法进行了改进,不仅没有丢失位于剪切量整数倍处频率,也没有丢失高频信息,大大地提高了处理精度。
通过引入解耦矩阵,将应用于径向剪切干涉波面复原的差分泽尼克待定系数法应用于横向剪切干涉波面复原,提出了基于解耦差分泽尼克待定系数法的二维横向剪切干涉波前复原算法,有效地解决了该算法在本应用领域中存在的严重耦合问题,处理精度极高,算法简单实用,并适用于环形波面的复原。分析了孔径分布对横向剪切干涉波前复原精度的影响,证明了最大剪切量的存在。
最后搭建了一台横向剪切干涉仪,实验验证上述理论和仿真结果。实验结果证明由于受噪声影响,空间载波相移加最小二乘的横向剪切波面测量方法在实际应用中由于受到噪声的影响而无法获得理想结果,傅里叶变换法加解耦的差分泽尼克待定系数法的横向剪切波面测量方法对于噪声具有相当的免疫能力,适合于低分辨率像差的测量。
尽管本文没有来得及继续对横向剪切干涉仪高频相位探测能力进行深入的研究,但是本文的一些结论对横向剪切干涉仪的进一步研究仍然具有很大的参考和指导意义。