陈坚[1]2003年在《可用于瞬态波面实时检测的理论及系统的研究》文中研究指明激光核聚变研究是人类解决未来能源危机及改善严重环境污染的一项重大举措。该研究需要光机电等多学科的技术支持以保证高能激光束具有很好的光束空间特性。而激光系统波前畸变检测则是激光束空间参数诊断中的一个主要环节。本论文以中国工程物理研究院与国家的自然基金会设立的“径向剪切法测量激光系统的波前畸变技术的研究”国家自然基金项目为主要研究方向，研究动、静态激光波前畸变测量技术。该研究分阶段进行，本论文所要完成的工作属于第一阶段，主要目的是研究可用于瞬态(单幅干涉图)波前实时检测的基于空间位相调制径向剪切系统的波面复原及重构技术、算法及测量结果。该研究对我国激光聚变系统的相关研究具有极为重要的意义。主要研究工作有： 论述了激光核聚变系统研究中波前畸变检测的重要意义。通过对核聚变系统中激光波面的特点及当前国内外波前检测技术的分析，提出一种简单、紧凑、具有较高测量精度和波面复原能力、适用于动、静态波面检测的基于空间位相调制的径向剪切干涉系统。 论述了径向剪切干涉系统的基本原理及其典型的系统结构。在对径向剪切波面的特征进行分析的基础上，提出了一种快速、具有较好数学物理模型的波面迭代重构算法。 对空间位相调制傅立叶变换法分析的理论进行论述，并就处理过程中的一些重要方面进行着重的分析，如混迭效应、频域泄漏效应、跳变等误差的处理、载波频率的选择、一级谱中心频率和谱宽确定等。 对一个在激光核聚变系统中比较典型、具有像散、彗差和叁级球差等像差的畸变波面进行径向剪切迭代重构、干涉条纹傅里叶解调以及整个系统处理过程的仿真及对测量结果的分析，发现使用该检测技术可达到λ/100以上的均方根精度，这样的测量精度完全可以满足激光核聚变中波面检测的要求。 通过对空间位相调制干涉图特征的分析，提出了一种利用单幅干涉图的梯度、强度一阶矩确定孔径中心和半径的方法。 结合使用Matcom、Visual C++、OpenGL等技术实现了即能对端口进行操作、又能进行精密科学计算、具有较好人机对话界面、较高计算效率的波面检测系统软件。 本论文研究的主要创新有：通过对径向剪切波面特征的研究，提出了一种简单、 浙江大学硕士学位论文 快速、具有相当高复原精度的迭代重构算法，并对该算法的物理意义、实现进行 论述；采用二维傅里叶变换法对二维空间位相调制干涉图进行处理，简化了系统 的结构，并且该方法能对对噪声进行更有效的抑制；对迭代重构和空间位相调制 傅里叶变换处理两个过程的测量精度间的关系进行研究，该研究有利于提高整个 系统的测量精度；通过 VC和 Matcom，在波面检测系统软件部分的开发过程中较好 地解决了开发效率和运行效率之间的矛盾。
杨甬英[2]2002年在《可用于瞬态激光波前畸变实时检测技术的研究》文中进行了进一步梳理激光核聚变研究是人类解决未来能源危机及改善严重环境污染的一项重大举措。该研究需要光机电等多学科的技术支持以保证高能激光束具有很好的光束空间特性。而激光系统波前畸变检测则是激光束空间参数诊断中的一个主要环节，本论文主要研究可用于瞬态(单幅干涉图)波前实时检测的径向剪切干涉体系、剪切波前的复原及重构技术、测量数据及图像处理技术。该研究对我国激光聚变系统的相关研究具有极为重要的意义。主要研究工作有： 论述了激光核聚变系统研究中波前畸变检测的重要意义。对国内外各种波前畸变的检测技术做了系统的分析，在此基础上提出利用线性载波可用于动、静态检测的空间位相调制的径向剪切干涉体系，并建立了初步的实验装置。 提出了激光波前近场、远场测量的光路布局及处理流程的系统框图。作了几部分的理论推导：以检测的相对灵敏度为依据、根据激光束的输入的光束口径、波前畸变大小，导出了与环型干涉系统的望远镜放大率有关的径向剪切放大倍数的确定；根据高能激光束超高斯型的特殊振幅轮廓有别于通常的平面波、球面波振幅的特点，以夫朗和费衍射理论为基础，导出了根据振幅轮廓的表征能量分散度特征的斯特列尔比；给出了激光束空间参数诊断的所有参量的诊断数学模型。 根据激光核聚变系统中光学系统具有圆瞳及矩形出瞳的特点。详细分析及推导了线性载波的空间位相调制的离散付氏变换的过程及产生混迭效应、频域泄漏效应的原因及影响，提出了分别适用于圆形及矩形出瞳的调制窗函数，尤其是用于矩形窗的金字塔窗函数。对解决激光聚变系统大量矩形出瞳的波前检测是很有利用价值的。并分析讨论了载波大小设定、滤波器的宽度、移频不移中等问题及相互之间的联系。上述模型流程的仿真计算达到了1／1000波长的计算精度。 研究了适用于圆形及矩形出瞳的径向剪切波前的重构理论及物理意义。利用迭代法以及解析法对剪切波前进行复原。尤其是解析法利用系数比较的Zernike正交多项式，可直接对径向剪切波前进行波前重构，并给出象差特征。对上述模型进行 浙江大学博士学位论文 了大量的仿真计算，可达到（2～3）／1000波长的均方根精度。 利用建立的实验装置，该系统对一象差透镜进行了从径向剪切干涉图——付 氏变换处理——剪切波前的系统比较的Zernike正交多项式拟合而得出重构波前 的整个流程及处理结果，得出了与实际一致的结果。并对整个处理过程进行了误差 分析，初步估算该测量方法可以达到门 ／10～1／20）X的均方根测量精度。 本论文研究的主要创新有：根据高能激光束超高斯型的特殊振幅轮廓，导出了 依据振幅轮廓的表征能量分散度特征的斯特列尔比及激光波前近场、远场空间特性 参量诊断流程的数学模型及物理意义；在详细分析了DPT频域泄漏效应原因的基础 上，首先提出了适用于矩形出瞳的金字塔形的滤波窗函数，其可有效地抑制频域泄 漏；全面、系统地推导了适用于圆形及矩形出瞳的径向剪切波前的重构理论、物理 意义和算法，利用迭代法以及解析法对剪切波前进行了波前重构及验证。
姜卓偲[3]2011年在《径向剪切干涉仪光学系统设计与研究》文中认为波前畸变是高能脉冲激光波前测量的重要参数之一。为了更好的测量瞬态、脉冲激光波前,本论文采用径向剪切干涉的方法,设计了一套循环式径向剪切干涉系统。具有共光路、不需额外设置参考面、仅需单幅干涉图即可进行波面检测、测试精度高等优点。本论文设计的径向剪切干涉系统主要包括伽利略望远系统、叁平板剪切干涉系统、成像系统和准直扩束系统。为满足近红外波长上的测试要求,设计了632.8nm/1064nm双波长径向剪切干涉系统,解决了近红外波长调试困难的问题。为满足系统测试口径要求,设计了变倍成像系统,满足了系统可测试φ4mm-φ18mm范围内的任意光斑的激光束波前相位的要求。根据课题技术指标要求,使用Zemax光学设计软件对系统结构进行设计,模拟分析了系统精度并对系统作公差分析,经过加工装调后系统精度可达到PV值为λ/10,满足了系统设计精度要求。构建了标准平面波系统,对径向剪切干涉系统进行了测试研究,并使用ZYGO干涉仪光源进行了对比得到了相近的结果。验证了系统的精度,PV值均在λ/10以内,且重复性良好。证明径向剪切干涉仪具有较好的波面复原能力和较高的测试精度。
陆元彪[4]2005年在《近红外脉冲波前畸变的干涉检测及研究》文中研究指明激光核聚变研究需要保证高能激光束具有很好的光束空间特性，而激光系统波前畸变检测则是激光束空间参数诊断中的一个主要环节。 本文提出一种简单、紧凑、具有较高测量精度和波面复原能力、适用于动、静态波面检测的径向剪切干涉系统，该系统可以从单幅干涉图同时重构波面位相分布和波面振幅分布，非常适用于脉冲激光波面检测。本文主要的研究工作有： 在对径向剪切波面的特征进行分析的基础上，论述了波面迭代重构算法的数学模型及实现；分别推导了对单幅干涉图的波面位相重构和波面振幅重构的计算方法，其中从干涉图恢复波面振幅分布的方法具有一定的创新性。 对波面位相重构流程中何时需要对波面消倾斜处理进行了研究，论证了波面迭代对与波面中的倾斜误差无影响，消波面倾斜应在波面迭代之后的理论。 对通常的空间频谱二维投影确定频谱边界的方法进行改进，提出了利用频谱的灰度变换图和衰减零级谱确定频谱边界，并已在计算机上用软件实现了该方法。 对表征光束质量的波面畸变特征参数进行了详细的论述，给出了可行的处理模式，特别的针对高能瞬态激光系统中斯特列尔比的计算提出了一种更为科学的计算方式。 论述了径向剪切干涉系统的基本原理及其典型的系统结构，对于该系统实验光路的调整提出了一种共路光路逼近的快速调整方法。 建立了检测动、静态波面畸变的径向剪切干涉系统。该系统可以检测近红外波段口径为Φ100mm的圆瞳及100mm×100mm的方瞳激光束波面，测量精度优于λ／15。 开发了波面畸变检测数据处理软件，该软件可从径向剪切干涉图恢复波面位相分布和振幅分布，进而计算波面的均方根值、PV值、均方根梯度、光学传递函数OTF、点扩散函数PSF以及光学系统的斯特列尔比SR，具有较好人机对话界面和较高计算效率。 本项目的研究对国内脉冲波前光束特性的高分辨率诊断提供了一套完整的数学推理模型、系统数据处理软件及高精度的检测装置，其在国防军工及国民经济相关领域具有广泛的应用前景。
张城[5]2014年在《点衍射干涉仪关键器件设计与基准波前分析》文中研究指明点衍射干涉仪采用小孔衍射的球面波作为参考光,具有无需参考面、测试精度高等优点。为了实现对激光器出射波前质量的检测,本论文基于传统点衍射干涉仪,设计了准直波前干涉测试系统,对系统中关键器件的性能与核心参数进行了研究。为了得到清晰明亮且稳定的干涉条纹,解决参考光束和测试光束光强匹配问题,基于标量衍射理论,采用菲涅尔子波迭加原理,获得了系统中小孔衍射参考波前的远场光强分布。对比分析了小孔直径不同、小孔横向离焦、小孔轴向离焦时的光强变化。仿真结果表明小孔直径越小,光强越均匀,小孔横向和轴向有偏差时,光强值非单调变化。为了保证点衍射干涉系统的测试精度,采用菲涅尔衍射积分公式,对影响小孔衍射参考波前质量的因素进行了仿真研究,具体包括：小孔直径偏差、形状偏差、入射波前像差、横向对准偏差、轴向调整误差。结果表明,入射波前像差(主要是彗差和像散)以及小孔的横向对准偏差对干涉系统的检测精度有较大的影响。使用白光干涉仪对点衍射板小孔参数的检测进行了实验研究。结果表明当检测微米量级小孔时,采用基于相位解调白光干涉信号的测试方法比基于包络解调的重复性更好,可信度更高。构建了10um针孔衍射波前检测实验系统,将衍射波前的实验结果与仿真结果比对,二者的PV值偏差为0.0136λ,RMS值偏差为0.0084λ。详细分析了实验中的误差来源及影响。
刘东, 杨甬英, 夏佐堂, 陈阳杰, 张小民[6]2006年在《近红外瞬态脉冲波前高精度干涉检测技术》文中指出惯性约束聚变(ICF)系统中高能瞬态脉冲激光由于脉冲时间短、能量高、波前畸变大,通常的检测方法难于检测脉冲激光波前。提出了一种基于空间相位调制技术可用于近红外瞬态波前高精度检测的环形径向剪切干涉仪。该系统可以以30~150 mm的圆瞳和方瞳口径、对波长为1064 nm的近红外纳秒级脉宽的脉冲激光波前实现共路、无参考面的瞬态、高精度的检测。系统的波前重构理论经过计算机仿真验证,精度达1/1000λ以上;检测结果与ZYGO数字波面干涉仪进行了比对,峰谷值、均方根值均优于1/15λ,并具有很好的可重复性。该系统目前已用于惯性约束聚变系统的脉冲检测,并且该技术适用于各种可见光和红外波段激光。
凌曈[7]2016年在《基于多波前剪切干涉与光学层析技术叁维折射率场重构研究》文中研究指明随着科学技术的不断进步,信息的获取形式也在由传统的平面信息转变为立体信息。在生命科学领域,传统的光学成像显微镜正逐步被能够提供生物细胞或组织叁维结构信息的共聚焦显微镜、结构光照明显微镜以及层析相位显微镜所取代。对于荧光单标记或多标记的细胞及组织样本,共聚焦显微镜与结构光照明显微镜均可以获得较为理想的检测结果,其中结构光照明显微镜还可以通过合成孔径的方式实现超分辨的叁维层析成像。但为了克服标记样本的局限性,对于非标记的透明生物体而言,只有采用光学干涉层析技术的层析相位显微镜可以在重构生物体折射率分布的基础上获得其叁维结构信息。同样在空气动力学领域,高超音速飞行器设计是近年来航空航天领域的热点与难点,其困难不仅仅在于气动布局的设计与仿真,同时也包括了飞行器模型周围流场分布的气动光学检测,传统的纹影仪与干涉仪仅能实现单个方向的光线偏折或波前畸变检测,如需获得流场中折射率分布及密度分布的精确信息还要借助光学干涉层析技术来实现。目前的光学干涉层析技术多采用常用的Mach-Zehnder型或Twyman-Green型干涉体系,在抗环境干扰能力、检测动态范围以及机构的仪器化小型化方面还需要进一步提高。本文利用多波前剪切干涉技术动态范围高抗干扰能力强的特点,在光学层析叁维折射率场重构数学模型的基础上,研究了针对高速流场分布检测的大口径双波前偏折型径向剪切干涉叁维折射率场重构系统,以及针对生物细胞叁维结构检测的四波前横向剪切干涉叁维折射率场重构系统,实现了空气流场与生物细胞的光学干涉层析检测。该研究对于实现光学干涉层析技术的通用化与小型化具有重要的意义。主要研究内容包括：论述了光学层析技术的背景与其在气动光学和生物医学等领域的重要意义,综合比较了光学投影层析法、光线偏折层析法以及光学干涉层析法的优劣,提出了基于多波前剪切干涉与光学层析方法的叁维折射率分布重构技术。介绍了作为光学层析叁维折射率分布重构技术基础的Radon变换及重要性质傅里叶切片定理,研究了Radon变换的逆变换即滤波反投影算法与代数重构算法的原理、算法实现以及仿真比较。通过变化待重构网格数、投影角度数以及投影光线条数对不同重构条件下的滤波反投影算法和代数重构算法的性能做了详细的评估。针对高超音速流场中的叁维折射率分布检测,提出了大口径双波前偏折型径向剪切干涉叁维折射率重构技术,设计了可用于模型遮挡情况下风洞检测的共路抗干扰的偏折型环形径向剪切干涉仪,在此基础上研究了偏折型径向剪切干涉图的波前解调算法并加以仿真验证。考虑到风洞窗口限制以及模型遮挡导致的有限角度中心遮挡问题,提出了相应的双调和样条插值代数重构算法。针对生物细胞等微小样品的检测,提出了四波前横向剪切干涉叁维折射率分布重构技术。在交叉光栅横向剪切干涉仪、改进哈特曼模板横向剪切干涉仪等四波前横向剪切干涉仪的基础上,提出了新颖的基于随机编码混合光栅的四波前横向剪切干涉仪。研究了不同条件下解调四波前横向剪切干涉图的位相重建算法。考虑到采用振镜摆动实现投影角度变化会导致部分角度的投影数据无法获得,研究了可以通过引入其他先验信息改善重构结果的迭代约束滤波反投影算法,实现了缺失投影角度情况下投影数据的精确重建。分别建立大口径双波前偏折型径向剪切干涉叁维折射率场重构与四波前横向剪切干涉叁维折射率场重构原理性实验,验证了偏折型环形径向剪切干涉仪、交叉光栅横向剪切干涉波前检测系统以及随机编码混合光栅四波前横向剪切干涉波前检测系统的检测精度,与光学层析技术相结合,分别实现了模型遮挡下热气流的叁维折射率分布重构与红细胞的叁维折射率分布重构,获得了预期的实验结果。总结了本文所开展的相关工作,并对下一步研究方向进行了展望。
谷晨风[8]2015年在《四波横向剪切干涉波前重构技术研究》文中提出四波横向剪切干涉波前检测技术可满足瞬态波前检测的需求,对波前进行实时高精度测量,但四波横向剪切干涉图包含的仅是待测波前的差分相位信息。针对如何从四波横向剪切干涉图中精确并快速地重构出待测波前这—问题,展开了相关研究,提出了—套完整的波前重构方案。首先,研究了四波横向剪切干涉的基本原理,结合瞬态波前检测的需求,确定了波前重构的整体方案。第二,研究了基于傅里叶变换的四波横向剪切干涉图差分相位提取方法。为减小由频谱泄露引起的相位提取误差,详细分析讨论了干涉图相位提取过程中滤波器的设计和干涉图的延拓问题。第叁,研究了由两正交方向差分波前恢复待测波前的傅里叶模式波前重构算法。采用对差分波前进行镜像反对称延拓的方法,消除了重构过程中由于边界不连续引入的低频误差。对一包含多种波像差、幅值为1λ的待测波前四波横向剪切干涉图进行了波前重构仿真,其误差分布的RMS值为3.97×10-3λ,PV值为4.67×10-2λ,证明了整套波前重构算法的有效性。最后,搭建了四波横向剪切干涉波前检测装置,测量了干涉仪标准镜头的出射波前,并将其结果与法国Phasics公司研制的SID4波前传感器的测量结果进行了比对。两者波前测量结果的RMS、PV值及35项Zernike多项式系数的吻合程度较高,验证了本四波横向剪切干涉波前检测方案及波前重构算法在实际波前检测中的可行性和有效性。
岳秀梅[9]2016年在《用于波前传感的随机编码混合光栅设计及误差分析》文中研究指明激光惯性约束聚变(ICF)利用大功率激光将高强度能量均匀地作用于装填D/T燃料的微球靶丸上,实现受控热核聚变反应,为人类提供丰富安全的能源,其中D/T冰层的密度均匀性是实现成功点火的重要参数。为了获得微球靶丸的叁维密度场信息,采用干涉方法对携带有微球密度均匀性信息的波前进行检测,以获得微球内的折射率分布,从而为微球靶丸的叁维密度场信息检测提供基础。本文提出采用四波横向剪切干涉系统对携带有微球密度均匀性信息的波前进行检测,并设计了衍射场中只有四个级次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组成的随机编码混合光栅。与现在常用的分光元件MHM、相位光栅相比,其衍射场中只有等光强的四个级次(±1,±1),体现了随机编码混合光栅在四波横向剪切干涉中的明显优势。分析确定了四波横向剪切干涉系统参数。根据光栅方程建模对四波横向剪切干涉的剪切率进行分析,结果表明剪切率随着待测光束口径的增大而非线性增大,随着光栅栅距的增大非线性地减小,并趋于定值,同时观察距离随着光栅栅距的增大而线性增大,并且待测光束口径越大,线性斜率越大。通过对随机编码混合光栅加工过程中存在的加工误差及实验中振幅编码光栅和相位光栅的对准误差进行分析,得到了相应的容差范围。分析结果表明,当相位光栅的深度刻蚀误差控制在±34.66 nm、侧壁陡直度大于55°,并且实验中振幅编码光栅与相位光栅的对准偏移量控制在3μm以内时,随机编码混合光栅的夫琅禾费衍射光场中其他级次光强与主级次(±1,±1)级相比可以忽略。最后,将加工误差严格控制在容差范围内的随机编码混合光栅放入横向剪切干涉系统中,得到其远场衍射光斑分布和四波横向剪切干涉图。实验结果表明随机编码混合光栅的远场衍射光场中只有(±1,±1)四个级次存在,而且其衍射光强相等；同时,基于随机编码混合光栅的四波横向剪切干涉图条纹稳定,干涉图不随观察距离的变化产生周期性的泰伯效应,可以实现任意畸变的波前检测。
金亚方[10]2011年在《径向剪切干涉波面重构算法研究》文中研究指明本文研究了基于径向剪切干涉技术的波面检测系统,所研制的径向剪切干涉仪采用二维傅里叶变换法对单幅干涉图进行相位提取,通过径向剪切波面重构迭代算法来复原真实的待测波面。论述了二维傅里叶变换法的基础理论,对其处理过程中存在的混迭效应、滤波器的选取、滤波带宽、载波频率以及相位解包等方面进行着重分析。根据径向剪切干涉波面的特征得到波面迭代重构算法,并通过仿真实验分别对在不同迭代次数、不同径向剪切比、不同畸变量下波面的重构结果与重构精度进行分析,结果表明可以得到很高的迭代精度,为径向剪切干涉仪的光学设计提供相应参考。采用VC++6.0等工具实现径向剪切干涉分析处理软件对径向剪切干涉图进行采集、波面相位提取、波面迭代重构与测量结果显示输出等功能,软件具有较高的测量精度、较高的运行处理速度以及简易友好的人机对话界面等特点。通过实验对不同条纹数的径向剪切干涉图进行分析,来标定选取合适的干涉条纹数作为测量依据。为了对径向剪切干涉波面重构分析处理软件进行测试分析,将测量结果数据与Zygo干涉仪的测量结果数据进行对比,可以得到径向剪切干涉仪波面重构分析处理软件具有较高的重构精度,所得数据结果真实、可信。
参考文献：
[1]. 可用于瞬态波面实时检测的理论及系统的研究[D]. 陈坚. 浙江大学. 2003
[2]. 可用于瞬态激光波前畸变实时检测技术的研究[D]. 杨甬英. 浙江大学. 2002
[3]. 径向剪切干涉仪光学系统设计与研究[D]. 姜卓偲. 南京理工大学. 2011
[4]. 近红外脉冲波前畸变的干涉检测及研究[D]. 陆元彪. 浙江大学. 2005
[5]. 点衍射干涉仪关键器件设计与基准波前分析[D]. 张城. 南京理工大学. 2014
[6]. 近红外瞬态脉冲波前高精度干涉检测技术[J]. 刘东, 杨甬英, 夏佐堂, 陈阳杰, 张小民. 光学学报. 2006
[7]. 基于多波前剪切干涉与光学层析技术叁维折射率场重构研究[D]. 凌曈. 浙江大学. 2016
[8]. 四波横向剪切干涉波前重构技术研究[D]. 谷晨风. 南京理工大学. 2015
[9]. 用于波前传感的随机编码混合光栅设计及误差分析[D]. 岳秀梅. 浙江大学. 2016
[10]. 径向剪切干涉波面重构算法研究[D]. 金亚方. 南京理工大学. 2011