專利名稱：一種光場相位分布檢測系統(tǒng)及檢測方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光學技術領域，涉及一種光場相位分布檢測系統(tǒng)及檢測方法。主要用于光場分析、自適應光學、光學元件度量學、眼科學、光電檢測、光學測量、儀器評估、天文學等領域中的光場相位分布檢測。
背景技術：
光場相位分布檢測的需求廣泛存在于光場分析、自適應光學、光學兀件度量學、眼科學、光電檢測、光學測量、儀器評估、天文學等領域中。例如，在自適應光學中，光場相位分布傳感器件是適應光學系統(tǒng)中重要的單元之一，它是自適應光學系統(tǒng)中完成自適應能力的首要環(huán)節(jié)，根據(jù)波前變形檢測的結果，通過控制單元，反饋控制已變形的波前相位分布，使其盡量恢復到理想情況，這就是光束波前相位檢測器件的主要功能，并且必不可少。在光場分析領域中，波前相位檢測起著非常重要的作用，特別是在完整分析強聚焦光場過程中，更是不可缺少，波前相位分布檢測能夠使光束描述更完整，對光束聚焦特性的理解更深刻，對聚焦光束的應用起著重要的方向性指導作用。在先技術中，存在檢測光場相位分布的方法，參見美國專利7，595，729。專利名稱是波前傳感器(英文為Wavefront sensor),發(fā)明人是Van Heugten和Anthony Y,方法是被檢測光束依次通過兩個相互平行的屏，每個屏均具有二維陣列排布的圓形小孔，兩個屏之間存在相對旋轉夾角，這樣光通過兩個片后會產(chǎn)生莫爾效應(英文為Moire effect),通過檢測透過光束實現(xiàn)光束波前相位的測量，這種方法雖然具有一定的優(yōu)點，但是存在本質不足，I)這種方法本質上無法實現(xiàn)高空間分辨率的光束波前檢測，即兩個相連的光束波前橫向檢測點之間的距離不能達到納米數(shù)量級，本質上受光波衍射理論的限制和圓形小孔陣列制作工藝上的限制；2)這種方法無法實現(xiàn)高數(shù)值孔徑光學系統(tǒng)中的聚焦光束的波前相位檢測，特別是當數(shù)值孔徑高于O. 70時，光束的矢量效應變得顯著，當在入射光束為激光光束時，由于激光光束為相干光，光的干涉和衍射效應十分明顯，進一步導致這種方法的檢測信噪比低，無法實現(xiàn)波前相位檢測；3)無法實現(xiàn)小光束波前相位檢測，當光束直徑小于屏幕上的圓形小孔時，這種方法檢測原理不成立，根本無法實現(xiàn)波前相位的檢測；4)系統(tǒng)整體結構復雜，結構定位要求高，易收到外界干擾，并且需要二維光電按測器采集圖像，這樣波強相位檢測精度受到光電傳感器參數(shù)的限制，無法實現(xiàn)高靈敏度的相位分布測量。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對上述技術的不足，提供一種光場相位分布檢測系統(tǒng)及檢測方法，具有實現(xiàn)簡單、可分析聚焦光束的波前分布、可實現(xiàn)高空間分辨率的光束波前測量、 結構定位要求低、使用范圍廣等特點。本發(fā)明的基本構思是利用光纖分束器的近場光耦合相干技術和并列光纖探針掃描技術，基于光波相位可以顯著影響光學干涉信號的原理，將光纖分束器的兩個光信號輸入端利用化學熔融法或熱拉法，制作成兩個光纖探針，將其并排靠緊進行固定，形成相位檢測探針，將相位檢測探針和光纖分束器的近場光耦合部分均固定在同一個掃描部件中，掃描驅動模塊與掃描部件相連接，帶動掃描部件進行移動，實現(xiàn)相位檢測探針在被測光場中進行掃描，通過檢測光纖分束器的光信號輸出端的光強信號，得到光場相位分布。此方法實現(xiàn)簡單、可分析聚焦光束的波前相位分布、可實現(xiàn)高空間分辨率的相位測量、結構定位要求低、使用范圍廣、可操作性強。—種光場相位分布檢測系統(tǒng),包括光纖分束器、光電探測器、掃描驅動模塊和掃描部件，其特點是所述光纖分束器的輸入端至少為兩個，每個光纖分束器輸入端的前端分別設置為圓錐形狀，構成光纖探針；所有的光纖探針并排靠緊并固定，所有光纖探針的光纖傳到部分相互固定，制成相位檢測探針；相位檢測探針和光纖分束器的近場光耦合部分均固定在同一個掃描部件中，光纖分束器的光信號輸出端位于掃描部件外；掃描驅動模塊與掃描部件相連接，光纖分束器的光信號輸出端與光電探測器相連接。所述的光纖分束器為單模光纖分束器、多模光纖分束器、單模-多?；旌闲凸饫w分束器的一種。所述的光纖分束器其輸入端數(shù)量大于或等于貳，并且輸出端數(shù)量大于或等于壹。所述的掃描驅動模塊為壓電陶瓷納米移動平臺。所述的光電探測器為單傳感面的光電二極管、雪崩管、光電倍增管的一種。一種光場相位分布檢測系統(tǒng)的檢測方法，其特點是運用光纖分束器的近場光耦合相干技術和并列光纖探針掃描技術，通過光電探測器檢測光纖分束器輸出端的光強信號，分析聚焦光束的波前相位分布，得到被測光場的相位信息，實現(xiàn)光場相位分布的測量。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和積極效果1、本發(fā)明由于使用光纖探針進行掃描，光纖探針的前端通光孔徑利用現(xiàn)有成熟技術可以達到30-50納米的尺度，同時本發(fā)明是利用掃描部件帶動相位檢測探針進行掃描， 如果掃描部件采用高精度壓電陶瓷納米平臺，掃描精度可以達到O. 5納米，即使采用步進電機作為掃描部件，也可以達到亞微米量級，所以本發(fā)明可以實現(xiàn)高空間分辨率的光束波前檢測。2、本發(fā)明米用光纖分束器的近場光稱合相干技術和并列光纖探針掃描技術相結合，對被測光場沒有任何限制，可以是平行光束，也可以是會聚光束，所以本發(fā)明在本質上解決了在先技術的局限性，可以實現(xiàn)高數(shù)值孔徑光學系統(tǒng)中的聚焦光束的波前相位測量。3、本發(fā)明采用光纖探針進行光信號輸入，可以達到幾十個納米的尺度，遠小于光波的衍射極限，可以進行小光束波前相位測量。4、本發(fā)明使用單傳感面的光電傳感器，光電傳感信噪比高，基于光纖傳感，系統(tǒng)結構簡單，結構定位要求低，抗干擾性強，可實現(xiàn)高靈敏度的相位分布測量。


圖I為本發(fā)明一種光場相位分布檢測系統(tǒng)實施例結構不意圖。1、第一光纖探針，2、第一光信號輸入端,3、光纖分束器的近場光稱合部分,4、第一光信號輸出端，5、光電探測器一,6、第二光纖探針,7、第二光信號輸入端,8、掃描部件,9、第二光信號輸出端，10、光電探測器二，11、掃描驅動模塊,12、孔徑會聚光束。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。如圖I所示一種光場相位分布檢測系統(tǒng)，包括光纖分束器、光電探測器、掃描驅動模塊和掃描部件，本實施例選擇了 2x2的單模光纖分束器,光纖分束器的輸入端為兩個, 光纖分束器的輸出端為兩個，光電探測器為兩個，具體結構如下(I)將光纖分束器的第一光信號輸入端2和第二光信號輸入端7的前端利用化學熔融法，將光纖前端制成圓錐形狀，構成第一光纖探針I(yè)和第二光纖探針6。本實施例中選擇了 2x2的單模光纖分束器，通過化學熔融法，將兩個光信號輸入端溶成圓錐形狀，通過電子顯微鏡檢測到光纖探針的頂端直徑為50納米；(2)將第一光纖探針I(yè)和第二光纖探針6排靠緊進行固定，第一光纖探針I(yè)和第二光纖探針6的光纖傳到部分相互固定，制成相位檢測探針。本實施例中利用紫外固化膠將兩個光纖探針進行排靠緊固定；(3)將由第一光纖探針I(yè)和第二光纖探針6構成的相位檢測探針和光纖分束器的近場光稱合部分3均固定在同一個掃描部件8中,光纖分束器的光信號輸出端位于掃描部件外，包括第一光信號輸出端4和第二光信號輸出端9。本實施例中掃描部件8為鋁制矩形殼體，器件與殼體間的固定均采用膠合固定。(4)掃描驅動模塊11與掃描部件8相連接，帶動掃描部件8進行移動，實現(xiàn)由第一光纖探針I(yè)和第二光纖探針6構成的相位檢測探針在被測光場中進行掃描。本實施例中的掃描驅動模塊11采用德國PI公司的三維壓電陶瓷納米移動平臺，將掃描部件8與掃描驅動模塊11的移動部件相固定。(5)由于米用了 2x2的單模光纖分束器,有兩個光信號輸出端,本實施例中在第一光信號輸出端4和第二光信號輸出端9的光纖末端分別連接了光電探測器一 5和光電探測器二 10，光電探測器一 5和光電探測器二 10采用的是日本濱淞產(chǎn)的光電倍增管。運用光纖分束器的近場光稱合相干技術和并列光纖探針掃描技術，由掃描驅動模塊帶動掃描部件進行移動，相位檢測探針在被測光場中進行掃描的過程中，檢測光電探測器一 5或光電探測器二 10的光強信號，分析聚焦光束的波前相位分布，就得到了被測光場的相位信息。本發(fā)明所述的光纖分束器還可以采用多模光纖分束器或單模-多?；旌闲凸饫w分束器。本發(fā)明所述的光電探測器還可以采用光電二極管或雪崩管。本實施例采用本發(fā)明設計的光場相位分布檢測系統(tǒng)，成功完成了 O. 25數(shù)值孔徑會聚光束12的相位分布檢測，與在先技術進行了比較，本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術中的本質不足，具有實現(xiàn)方法簡單靈活、結構定位要求低、系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性高、可操作性強、可分析聚焦光束的波前分布、可實現(xiàn)高空間分辨率的光束波前測量等特點。
權利要求
1.一種光場相位分布檢測系統(tǒng)，包括光纖分束器、光電探測器、掃描驅動模塊和掃描部件，其特征在于所述光纖分束器的輸入端至少為兩個，每個光纖分束器輸入端的前端分別設置為圓錐形狀，構成光纖探針；所有的光纖探針并排靠緊并固定，所有光纖探針的光纖傳到部分相互固定，制成相位檢測探針；相位檢測探針和光纖分束器的近場光耦合部分均固定在同一個掃描部件中，光纖分束器的光信號輸出端位于掃描部件外；掃描驅動模塊與掃描部件相連接，光纖分束器的光信號輸出端與光電探測器相連接。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種光場相位分布檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的光纖分束器為單模光纖分束器、多模光纖分束器、單模_多?；旌闲凸饫w分束器的一種。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種光場相位分布檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的光纖分束器其輸入端數(shù)量大于或等于貳，其輸出端數(shù)量大于或等于壹。
4.根據(jù)權利要求I所述的一種光場相位分布檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的掃描驅動模塊為壓電陶瓷納米移動平臺。
5.根據(jù)權利要求I所述的一種光場相位分布檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的光電探測器為單傳感面的光電二極管、雪崩管、光電倍增管的一種。
6.根據(jù)權利要求I所述的一種光場相位分布檢測系統(tǒng)的檢測方法，其特征在于運用光纖分束器的近場光耦合相干技術和并列光纖探針掃描技術，通過光電探測器檢測光纖分束器輸出端的光強信號，分析聚焦光束的波前相位分布，得到被測光場的相位信息，實現(xiàn)光場相位分布的測量。
全文摘要
本方法涉及一種光場相位分布檢測系統(tǒng)及檢測方法，包括光纖分束器、光電探測器、掃描驅動模塊和掃描部件，光纖分束器的輸入端至少為兩個，光纖分束器輸入端的前端分別設置為圓錐形狀，構成光纖探針；光纖探針并排靠緊并固定，光纖探針的光纖傳到部分相互固定，制成相位檢測探針；相位檢測探針和光纖分束器的近場光耦合部分均固定在同一個掃描部件中，光纖分束器的光信號輸出端位于掃描部件外；掃描驅動模塊與掃描部件相連接，光纖分束器的光信號輸出端與光電探測器相連接。通過光電探測器檢測光纖分束器輸出端的光強信號，分析聚焦光束的波前相位分布，實現(xiàn)光場相位分布的測量。本發(fā)明結構簡單、使用方便，可實現(xiàn)高空間分辨率相位測量。
文檔編號G01J1/04GK102589685SQ201210062529
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月9日 優(yōu)先權日2012年3月9日
發(fā)明者莊松林, 耿滔, 董祥美, 郭寶光, 高秀敏 申請人:上海理工大學