近紅外大口徑波長(zhǎng)移相干涉儀關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究.pdf

1、大口徑平面光學(xué)元件在天文、航天、強(qiáng)激光等領(lǐng)域有著重要且廣泛的應(yīng)用，例如在我國(guó)神光Ⅲ高功率固體激光裝置的重大項(xiàng)目中使用了大量高精度的大口徑平面光學(xué)元件，這些光學(xué)元件在加工與使用過(guò)程中需要能夠?qū)ζ涿嫘魏凸鈱W(xué)均勻性進(jìn)行高精度檢測(cè)的近紅外大口徑干涉儀。針對(duì)神光Ⅲ的研制需求，本論文開(kāi)展了基于波長(zhǎng)移相方式的近紅外大口徑干涉儀的研制工作。盡管波長(zhǎng)移相方式比硬件移相方式更適合應(yīng)用于大口徑光學(xué)元件的干涉測(cè)量中，但波長(zhǎng)移相干涉時(shí)移相量大小不僅與波長(zhǎng)變化量有

2、關(guān)，還與干涉腔長(zhǎng)有關(guān)，且隨著腔長(zhǎng)增大，對(duì)波長(zhǎng)分辨率的要求越高。而根據(jù)應(yīng)用需求，某些大口徑光學(xué)元件需在布儒斯特角或小角度下進(jìn)行測(cè)量，此時(shí)，干涉腔長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)移相量的準(zhǔn)確標(biāo)定。因此需解決短腔長(zhǎng)測(cè)量時(shí)不同腔長(zhǎng)下的移相量標(biāo)定問(wèn)題和長(zhǎng)腔長(zhǎng)測(cè)量時(shí)的相位計(jì)算問(wèn)題。此外，工作波長(zhǎng)近紅外、測(cè)量孔徑(φ)600mm，需具備足夠的中頻段傳遞能力、能夠在測(cè)量區(qū)域非連通和長(zhǎng)腔長(zhǎng)下進(jìn)行測(cè)量等條件對(duì)干涉儀的相位計(jì)算、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和光路調(diào)校等方面提出了更高的要求。

3、本文圍繞以上幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用展開(kāi)了研究。
　　 移相量的精度直接關(guān)系到相位計(jì)算精度，為了解決在不同干涉腔長(zhǎng)下測(cè)量時(shí)的移相量實(shí)時(shí)標(biāo)定問(wèn)題，本文提出了基于李薩如圖技術(shù)和基于一維時(shí)域傅立葉變換的移相量標(biāo)定方法，前者通過(guò)李薩如圖擬合技術(shù)實(shí)現(xiàn)移相量的計(jì)算，精度較高。該方法不要求移相量相等，且在超短腔長(zhǎng)（腔長(zhǎng)為0.01m左右）時(shí)仍能使用，但其對(duì)于干涉圖的對(duì)比度要求較高，同時(shí)參與計(jì)算的兩個(gè)點(diǎn)的相位差不能是π的倍數(shù)。后者通過(guò)對(duì)空間某點(diǎn)不同時(shí)

4、刻的光強(qiáng)值進(jìn)行一維傅立葉變換等處理得到移相量，該方法沒(méi)有前一種方法的缺點(diǎn)，但要求移相量相等。將該方法應(yīng)用于波長(zhǎng)移相干涉儀中，其測(cè)量結(jié)果與Zygo GPI移相干涉儀的測(cè)量結(jié)果偏差在λ/50(PV值)范圍內(nèi)。結(jié)果表明，兩種方法均能夠?qū)崿F(xiàn)波長(zhǎng)移相干涉測(cè)量時(shí)的移相量標(biāo)定，且后者計(jì)算性能更穩(wěn)定。
　　 在長(zhǎng)干涉腔長(zhǎng)下測(cè)量時(shí)，由于移相步進(jìn)量分辨率受限導(dǎo)致偏離π/2，給波面計(jì)算帶來(lái)了誤差。針對(duì)此情況，首先，研究了波長(zhǎng)調(diào)諧隨機(jī)移相算法，該算法不

5、標(biāo)定移相量，采用最小二乘原理和迭代計(jì)算，在適合的收斂條件下實(shí)現(xiàn)相位的計(jì)算。在長(zhǎng)腔長(zhǎng)下測(cè)量時(shí)，該方法的測(cè)量結(jié)果與短腔長(zhǎng)下的測(cè)量結(jié)果偏差約λ/70(PV值)。然后，提出了自適應(yīng)相位篩選法，該算法對(duì)多幅移相干涉圖進(jìn)行篩選得到移相步進(jìn)量為π/2的干涉圖。在長(zhǎng)腔長(zhǎng)下測(cè)量時(shí)，該方法的測(cè)量結(jié)果與短腔長(zhǎng)下的測(cè)量結(jié)果偏差約λ/300(PV值)。結(jié)果表明，這兩種方法都可以很好地解決長(zhǎng)腔長(zhǎng)測(cè)量時(shí)移相量標(biāo)定的技術(shù)問(wèn)題，且后者比前者計(jì)算精度高。
　　 針

6、對(duì)非連通區(qū)域的相位解包問(wèn)題，提出了基于離散余弦變換算法的種子點(diǎn)相位解包方法。該方法利用種子點(diǎn)法對(duì)各分離區(qū)域進(jìn)行解包，再利用離散余弦變換算法求得的干涉級(jí)次，將各分離區(qū)域的解包相位進(jìn)行統(tǒng)一。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性和精度。該方法能夠快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)非連通區(qū)域的相位解包。
　　 針對(duì)干涉儀的研制需求，光路設(shè)計(jì)時(shí)采用單片雙凸非球面作為準(zhǔn)直物鏡、成像系統(tǒng)采用雙遠(yuǎn)心光路、去除旋轉(zhuǎn)毛玻璃等措施來(lái)滿(mǎn)足要求。針對(duì)波長(zhǎng)調(diào)諧激光器的輸出波長(zhǎng)分辨率與激光

7、器控制器的分辨率相關(guān)的特性，研制了高精度的電壓驅(qū)動(dòng)源，從硬件上保證了激光器能夠?qū)崿F(xiàn)高精度地波長(zhǎng)調(diào)諧。針對(duì)干涉光路不可見(jiàn)的特點(diǎn)，采用可見(jiàn)光輔助調(diào)校技術(shù)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的調(diào)校。并對(duì)系統(tǒng)的光學(xué)質(zhì)量、重復(fù)性和測(cè)量不確定度進(jìn)行測(cè)量和分析，干涉儀系統(tǒng)的測(cè)量不確定度優(yōu)于λ/15。
　　 最后研究了近紅外大口徑波長(zhǎng)移相干涉儀的應(yīng)用。首先研究了波長(zhǎng)移相干涉儀測(cè)量平行平板的光學(xué)參數(shù)。測(cè)量時(shí)，只需要平行平板放入測(cè)量和空腔測(cè)量?jī)蓚€(gè)步驟，采用傅立葉變換算法實(shí)現(xiàn)