光栅型曲率传感器的设计与应用研究

论文摘要

最近几年发展的光栅型波前曲率传感器,具有全光学测量、无振动部件等优点,在光学表面度量、激光诊断、视觉科学和定向能技术等领域,显示出良好的应用前景。本文主要在光栅型波前曲率传感技术的理论分析、设计研制和实际应用等方面进行了相关的研究。在理论分析方面,区别于传统的几何光学分析方法,本文使用传递函数方法,对波前曲率传感技术进行了频谱分析,提出了最佳传输距离的解析表达式为关键空间频率的四分之一泰保距离,建立了波前曲率传感器的梳状滤波器模型,依据该模型提出了双z(双传输距离)或多z(多传输距离)波前曲率传感器的概念和设计方法。在设计研制方面,考虑到振幅型散焦光栅的缺陷,本文利用傅里叶光学分析方法,理论分析了相位型散焦光栅的相位轮廓和衍射特性,确定了光栅的二元相位结构,分析了其衍射效率和透过率函数,并讨论了光栅色散特性;在此基础上,设计并研制了基于相位型散焦光栅的波前曲率传感器。实验结果表明,所设计的相位型散焦光栅的±1级衍射效率分别达到38.1%和40.4%,提高了波前曲率传感器的光能利用率,特别适用于自适应光学应用中微弱光信号的探测补偿。在波前测量方面,本文采用数值模拟方法,模拟产生了湍流相位屏引起的波前曲率传感器的测量信号,分别使用GS算法和格林函数算法对其进行了波前重构,分析了这两种重构算法的收敛性、模式混淆等特性。在此基础上,利用自行研制的光栅型波前曲率传感器,对像差板和流体激光增益介质中的波前畸变进行实验测量,并使用格林函数算法对实验数据进行了波前重构。实验表明,该传感器能够适用于多种光瞳形状的波前畸变测量,验证了相位光栅型波前曲率传感器的理论分析和设计方法的正确性。在以上工作的基础上,本文进一步探索了光栅型波前曲率传感器在激光领域中两种重要的应用:一是,使用光栅型波前曲率传感器实现了高平均功率热容激光器和LD侧面泵浦Nd:YAG棒的热透镜效应的实验测量;二是,针对激光束M~2因子的测量需求,理论分析了M~2因子检测系统中一对互相正交的散焦光栅的设计与结构要求,研制出可用于1064nm激光测量的M~2因子检测系统,并实验测量了Nd:YAG脉冲激光器的光束质量。实验表明,由正交散焦光栅构成的M~2因子检测系统能够实现脉冲激光和随时间变化的光束质量的测量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 波前曲率传感技术的产生
• 1.2 波前曲率传感技术在天文自适应光学领域的发展
• 1.3 光栅型波前曲率传感器及其应用
• 1.4 本文的主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 波前曲率传感技术原理及分析
• 2.1 波前曲率传感技术原理
• 2.1.1 波前曲率传感技术的几何光学解释
• 2.1.2 光强传递方程与波前曲率传感技术
• 2.1.3 波前曲率传感技术的菲涅耳衍射分析
• 2.2 几何光学近似对离焦量的下限要求
• 2.3 波前曲率传感器的频谱分析
• 2.3.1 用传递函数方法分析波前曲率传感器
• 2.3.2 波前曲率传感器中传输距离的选择
• 2.3.3 波前曲率传感器的滤波器模型
• 2.3.4 双z 或多z 波前曲率传感器的设计
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第三章 光栅型波前曲率传感器
• 3.1 振动薄膜式波前曲率传感器简介
• 3.2 散焦光栅原理
• 3.2.1 散焦光栅的基本思想
• 3.2.2 散焦光栅的位移-相移定理分析
• 3.2.3 散焦光栅的成像特性
• 3.2.4 散焦光栅构成波前曲率传感器
• 3.2.5 散焦光栅的设计参数
• 3.2.6 振幅型散焦光栅
• 3.3 相位型散焦光栅
• 3.3.1 连续浮雕的纯相位结构
• 3.3.2 多相位台阶结构
• 3.3.3 二元相位结构
• 3.3.4 相位型散焦光栅
• 3.4 光栅型波前曲率传感器的设计流程
• 3.5 相位型散焦光栅的制作及衍射效率测量
• 3.5.1 相位型散焦光栅的工艺流程
• 3.5.2 相位型散焦光栅衍射效率的实验测量
• 3.6 相位型散焦光栅的色散特性
• 3.6.1 焦距、离轴量及相关参数
• 3.6.2 衍射效率
• 3.7 波前曲率传感技术实现方式比较
• 参考文献
• 第四章 曲率传感器的波前测量
• 4.1 GS 算法
• 4.1.1 GS 算法简介
• 4.1.2 光栅型波前曲率传感器中GS 算法的迭代流程
• 4.1.3 GS 算法的模拟分析
• 4.2 格林函数算法
• 4.2.1 格林函数算法原理
• 4.2.2 格林函数算法的模拟分析
• 4.3 曲率传感器的波前测量实验
• 4.3.1 光栅型波前曲率传感器系统
• 4.3.2 系统对准
• 4.3.3 系统标定
• 4.3.4 像差板相位分布的实验测量
• 4.3.5 染料激光器中增益介质热畸变测量
• 4.3.6 波前测量误差分析
• 4.4 光强非均匀分布对波前曲率传感器的影响
• 4.4.1 光强非均匀时测量信号误差理论分析
• 4.4.2 光强非均匀时测量信号误差数值分析
• 4.5 小结
• 参考文献
• 第五章 波前曲率传感器用于热透镜焦距测量
• 5.1 基于曲率传感器的热透镜效应测量原理
• 5.1.1 曲率传感器热透镜测量的几何光学分析
• 5.1.2 测量原理验证
• 5.2 固体热容激光器的热透镜效应实验研究
• 5.2.1 激光棒热容模式下的热透镜效应
• 5.2.2 固体热容激光器的热透镜效应测量
• 5.3 半导体泵浦Nd:YAG 棒热透镜效应实验研究
• 5.3.1 半导体侧泵Nd:YAG 模块简介
• 5.3.2 Nd:YAG 棒的热透镜焦距实验测量
• 5.3.3 热透镜效应的补偿
• 5.4 小结
• 参考文献
• 2因子测量'>第六章 基于正交散焦光栅的M²因子测量
• 2 因子的原理'>6.1 正交散焦光栅测量M²因子的原理
• 2 因子的定义及测量方法'>6.1.1 M²因子的定义及测量方法
• 2 因子'>6.1.2 正交散焦光栅用于测量M²因子
• 2 因子测量系统的设计'>6.2 M²因子测量系统的设计
• 6.2.1 薄透镜对高斯光束的变换
• 6.2.2 正交散焦光栅的参数选择
• 2 因子'>6.3 正交散焦光栅测量脉冲激光的M²因子
• 6.4 小结
• 参考文献
• 全文总结
• 一、主要工作
• 二、主要创新点
• 三、工作展望
• 致谢
• 作者在攻读博士学位期间发表的论文