1.本发明涉及光学信息测量技术领域，尤其涉及一种消色差弱测量波前传感器。
背景技术：2.波前传感器是一种现代光学测量仪器，能够测量光不容易测量的相位信息，主要用于自适应光学中波前畸变的矫正。
3.波前传感中最常见的哈特曼波前传感器使用了透镜阵列，适用于一定范围内波长的光，单个透镜的大小限制了该波前传感器的空间分辨率。
4.中国科学技术大学发明的基于量子弱测量的波前传感器(见申请号cn201910019845.8，公开号cn109520625a)由于使用了1/4波片，且需要对薄双折射晶体进行倾斜以补偿水平和竖直偏振分量光的光程差，至波长的某个整数倍。但是，对某一个波长的光校正装置后，由于对其他波长，水平和竖直偏振分量光的相位差不再是2π的整数倍，在更换其他波长的光时，需要重新校正装置，否则无法使用。
技术实现要素：5.本发明的目的是提供一种消色差弱测量波前传感器，它是一种能够适用于一定波长范围的光的弱测量波前传感器，且空间分辨率高于传统哈特曼波前传感器。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
7.一种消色差弱测量波前传感器，包括：起偏器、萨伐尔片、消色差相位延迟器、以及偏振分离与光强采集设备；其中：所述起偏器将入射的待测单色光的偏振制备为水平偏振态，并射入所述萨伐尔片，根据测量方向不同，绕光传播方向旋转所述萨伐尔片，萨伐尔片出射的光束经所述消色差相位延迟器射入所述偏振分离与光强采集设备，通过所述消色差相位延迟器以及偏振分离与光强采集设备分离左旋与右旋圆偏振光并探测光强。
8.由上述本发明提供的技术方案可以看出，将光根据偏振分为正对角和反对角分量，确保位移后两个分量的光的相对位置l是水平和垂直的。这正对角和反对角分量的光经过萨伐尔(savart)片后，垂直于传播方向上均经历了一次位移和一次不位移，使得它们之间理论上没有光程差。配合消色差的相位延迟器，使本发明提供的弱测量波前传感器可以适用于一定范围内波长的单色光，使用时仅需根据色散关系，查询出该波长对应的l即可。适用的波长范围主要由消色差相位延迟器的适用范围决定。
附图说明
9.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
10.图1为本发明实施例提供的一种消色差弱测量波前传感器的示意图。
具体实施方式
11.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
12.首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
13.术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
14.术语“厚度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“水平”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本文的限制。
15.下面对本发明所提供的一种消色差弱测量波前传感器进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
16.如图1所示，一种消色差弱测量波前传感器，主要包括：起偏器、萨伐尔(savart)片、消色差相位延迟器、以及偏振分离与光强采集设备；其中：所述起偏器将入射的待测单色光的偏振制备为水平偏振态，并射入所述savart片，根据测量方向不同，绕光传播方向旋转savart片，savart片出射的光束经所述消色差相位延迟器射入所述偏振相机，通过所述消色差相位延迟器以及偏振分离与光强采集设备分离左旋与右旋圆偏振光并探测光强。此处的偏振分离与光强采集设备可以通过偏振相机实现，也可以通过厚双折射晶体与相机实现，具体将在后文进行介绍。如图1所示，提供了以厚双折射晶体与相机作为偏振分离与光强采集设备的示例。
17.为了便于理解，下面针对消色差弱测量波前传感器的各部分结构及其原理进行介绍。
18.一、消色差弱测量波前传感器的结构。
19.1、起偏器。
20.本发明实施例中，起偏器可以使用pbs(偏振分光棱镜)或者其他类型的起偏器。起偏器主要用于将入射的待测单色光的偏振制备为水平偏振态。将所述水平偏振态作为初态，初态用量子力学的语言描述为|h》|ψ(x,y)》。h指水平偏振，|ψ(x,y)》是光子的空间模式，(x,y)为坐标。
21.本领域技术人员可以理解，线偏振光中，水平与竖直偏振光均可视为正对角和反对角偏振光的叠加。所有角度的线偏振光均可视为左旋和右旋圆偏振光的叠加。
22.2、savart片。
23.本发明实施例中，所述savart片由两个厚度相同(同盘加工)、光轴与入射面夹角
相同(通常为45
°
)的薄双折射晶体(如方解石)拼合而成，两个薄双折射晶体光轴的方向不同；将靠近所述起偏器的薄双折射晶体称为第一薄双折射晶体，将靠近所述相位延迟器的薄双折射晶体称为第二薄双折射晶体。
24.本发明实施例中，薄双折射晶体是指它对光的位移远小于光斑的尺寸。
25.根据测量方向不同，绕光传播方向旋转savart片的优选方案为：
26.当测量波前相位在x方向上的偏导数k
x
时，第一薄双折射晶体将水平偏振态中正对角(45
°
)偏振光向右上方移动，第二薄双折射晶体将水平偏振态中反对角偏振光(135
°
)向左上方移动。
27.当测量波前相位在y方向上的偏导数ky时，两个薄双折射晶体光轴逆时针旋转90
°
，第一薄双折射晶体将水平偏振态中反对角偏振光向左上方移动，第二薄双折射晶体将水平偏振态中正对角偏振光向左下方移动。
28.本发明实施例中，右上方、左上方、左下方都是指迎着光看时，相对于光束的方向。
29.通过使用savart片，使本发明提供的弱测量波前传感器可以适用于一定范围内波长的单色光。
30.当然，可以根据情况使用其他调整方案，例如，测量ky时，仅将第二薄双折射晶体旋转180
°
。
31.3、消色差相位延迟器。
32.本发明实施例中，所述消色差相位延迟器可以为消色差1/4波片或者菲涅耳菱形棱镜等。
33.通过设置的消色差相位延迟器，使得一定波长范围内的左旋和右旋圆偏振光分别被转换为水平和竖直偏振光。如图1所示，提供了以消色差1/4波片作为相位延迟器的示例，本发明适用的波长范围可以由消色差1/4波片的适用范围决定。
34.4、偏振分离与光强采集设备。
35.本发明实施例中，偏振分离与光强采集设备可以通过偏振相机实现，也可以通过厚双折射晶体与相机(相机用于探测光强，相机可以为ccd或cmos相机)实现。
36.本发明实施例中，通过偏振分离与光强采集设备分离水平与竖直偏振光，并且探测光强。
37.在实施过程中，通过所述消色差相位延迟器与厚双折射晶体(它对光的位移应远大于光斑尺寸)共同作用，分离左旋与右旋圆偏振光，并通过相机探测光强；或者通过所述消色差相位延迟器与偏振相机中的起偏器共同作用，分离左旋与右旋圆偏振光，并探测光强。
38.分离左旋与右旋圆偏振光并探测光强的步骤可以描述为：
39.1)将左旋与右旋圆偏振光转化为线偏振光：使用消色差1/4波片或菲涅耳菱形棱镜(即消色差相位延迟器)将左旋圆偏振光变为水平偏振光，将右旋圆偏振光变为竖直偏振光；当然也可以将左旋圆偏振光变为竖直偏振光，将右旋圆偏振光变为水平偏振光。
40.2)分离水平与竖直偏振光并使用相机测量它们的强度分布：可以使用偏振相机在不同像素位置起偏并探测光强；也可以使用厚双折射晶体对其中一种偏振光(水平偏振光或者竖直偏振光)进行位移，位移的距离应远大于光斑尺寸，然后使用相机探测两个光斑(水平偏振光与竖直偏振光的光斑)的光强。此处探测的水平偏与竖直偏振光的光强即为相
应左旋与右旋圆偏振光的光强，对应着下面计算公式中的四个光强i。
41.结合相机探测的光强，波前相位在x方向上的偏导数k
x
，在y方向上的偏导数ky可通过下式计算：
[0042][0043]
其中，i
x,l
与i
x,r
分别表示测量波前相位在x方向上的偏导数k
x
时，探测的左旋与右旋圆偏振光的光强；i
y,l
与i
y,r
分别表示测量波前相位在y方向上的偏导数ky时，探测的左旋与右旋圆偏振光的光强；l表示单个薄双折射晶体的移动距离，等同于它与待测单色光的波长相对应，可以通过查表来确定。上述式中，使用的反正弦操作(arcsin)是一种修正方式，使得测量值更加接近真实值。
[0044]
二、测量原理。
[0045]
下文中，h、v、d、a、l、r分别代表水平、竖直、正对角、反对角、左旋、右旋偏振，i是虚数单位，re是取实部，im是取虚部，星号*是取复共轭，一个量的模等于它和它的共轭的乘积的平方根。如之前所述，初态用量子力学的语言描述为|h》|ψ(x,y)》。以测量波前相位在x方向上的偏导数k
x
为例，光经过savart片后，偏振态变为：
[0046][0047]
分离左、右旋圆偏振光，得到左旋和右旋分量的波函数：
[0048][0049]
其模平方正比于光强：
[0050][0051]
波前相位在x方向上的偏导数k
x
，可通过相机测得的光强近似求得：
[0052][0053]
采用类似的原理，可以得到ky：
[0054][0055]
上述求解偏导数k
x
与ky公式有一定的误差，使用反正弦操作可以减小误差。得到k
x
与ky后，可以使用波前复原算法重构待测单色光波前的相位图，此部分可参照常规技术实现，本发明不做赘述。
[0056]
本发明实施例上述方案中，将光根据偏振分为正对角和反对角分量，确保位移后两个分量的光的相对位置是水平和垂直的。这两个分量的光经过萨伐尔(savart)片后，垂直于传播方向上均经历了一次位移和一次不位移，使得它们之间理论上没有光程差。配合消色差相位延迟器，使得本发明可以适用于一定范围内波长的单色光，使用时仅需根据色
散关系，查询出该波长对应的l即可。适用的波长范围主要由消色差相位延迟器的适用范围决定。
[0057]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
技术特征：1.一种消色差弱测量波前传感器，其特征在于，包括：起偏器、萨伐尔片、消色差相位延迟器、以及偏振分离与光强采集设备；其中：所述起偏器将入射的待测单色光的偏振制备为水平偏振态，并射入所述萨伐尔片，根据测量方向不同，绕光传播方向旋转所述萨伐尔片，萨伐尔片出射的光束经所述消色差相位延迟器射入所述偏振分离与光强采集设备，通过所述消色差相位延迟器以及偏振分离与光强采集设备分离左旋与右旋圆偏振光并探测光强。2.根据权利要求1所述的一种消色差弱测量波前传感器，其特征在于，将所述水平偏振态作为初态，初态用量子力学的语言描述为|h>|ψ(x,y)>，其中，h表示水平偏振，|ψ(x,y)>表示光子的空间模式，(x,y)为坐标。3.根据权利要求1所述的一种消色差弱测量波前传感器，其特征在于，所述萨伐尔片由两个厚度相同、光轴与入射面夹角相同的薄双折射晶体拼合而成，两个薄双折射晶体光轴的方向不同；将靠近所述起偏器的薄双折射晶体称为第一薄双折射晶体，将靠近所述相位延迟器的薄双折射晶体称为第二薄双折射晶体；其中，薄双折射晶体是指它对光的位移远小于光斑的尺寸；当测量波前相位在x方向上的偏导数k
x
时，第一薄双折射晶体将水平偏振态中正对角偏振光向右上方移动，第二薄双折射晶体将水平偏振态中反对角偏振光向左上方移动；当测量波前相位在y方向上的偏导数k
y
时，两个薄双折射晶体光轴逆时针旋转90
°
，第一薄双折射晶体将水平偏振态中反对角偏振光向左上方移动，第二薄双折射晶体将水平偏振态中正对角偏振光向左下方移动。4.根据权利要求3所述的一种消色差弱测量波前传感器，其特征在于，根据探测光强计算各测量方向上的偏导数，计算过程表示为：其中，i
x,l
与i
x,r
分别表示测量波前相位在x方向上的偏导数k
x
时，探测的左旋与右旋圆偏振光的光强；i
y,l
与i
y,r
分别表示测量波前相位在y方向上的偏导数k
y
时，探测的左旋与右旋圆偏振光的光强；l表示单个薄双折射晶体的位移距离。5.根据权利要求1所述的一种消色差弱测量波前传感器，其特征在于，所述消色差相位延迟器使用消色差1/4波片或菲涅耳菱形棱镜实现。6.根据权利要求1所述的一种消色差弱测量波前传感器，其特征在于，所述偏振分离与光强采集设备通过偏振相机实现，或者通过厚双折射晶体与相机实现；其中，所述厚双折射晶体是指它对光的位移远大于光斑尺寸。7.根据权利要求6所述的一种消色差弱测量波前传感器，其特征在于，所述通过所述消色差相位延迟器与偏振分离与光强采集设备分离左旋与右旋圆偏振光并探测光强包括：通过所述消色差相位延迟器与厚双折射晶体共同作用，分离左旋与右旋圆偏振光，并通过相机探测光强；或者通过所述消色差相位延迟器与偏振相机中的起偏器共同作用，分离左旋与右旋圆偏振光，并探测光强。8.根据权利要求7所述的一种消色差弱测量波前传感器，其特征在于，分离左旋与右旋圆偏振光并探测光强的步骤包括：将左旋与右旋圆偏振光转化为线偏振光：通过所述消色差相位延迟器将左旋圆偏振光
变为水平偏振光，将右旋圆偏振光变为竖直偏振光；或者，将左旋圆偏振光变为竖直偏振光，将右旋圆偏振光变为水平偏振光；分离水平偏振光与竖直偏振光并探测光强：通过偏振相机在不同像素位置起偏并探测光强；或者，通过厚双折射晶体对其中水平偏振光或者竖直偏振光进行位移，位移的距离大于光斑尺寸，然后，通过相机探测两个光斑的光强。
技术总结本发明公开了一种消色差弱测量波前传感器，将光分为正对角和反对角分量，确保位移后两个分量的光的相对位置是水平和垂直的。这正对角和反对角分量的光经过Savart片后，均经历了一次位移和一次不位移，使得它们之间理论上没有光程差。配合消色差的相位延迟器，使本发明提供的弱测量波前传感器可以适用于一定范围内波长的单色光，使用时仅需根据色散关系，查询出该波长对应的l即可。适用的波长范围主要由消色差波片的适用范围决定。要由消色差波片的适用范围决定。要由消色差波片的适用范围决定。
技术研发人员：郑逸 杨木 廖昱玮 许金时 李传锋
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：2022.03.31
技术公布日：2022/7/5
