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

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

2、關(guān)，還與干涉腔長有關(guān)，且隨著腔長增大，對波長分辨率的要求越高。而根據(jù)應(yīng)用需求，某些大口徑光學元件需在布儒斯特角或小角度下進行測量，此時，干涉腔長過長，無法實現(xiàn)移相量的準確標定。因此需解決短腔長測量時不同腔長下的移相量標定問題和長腔長測量時的相位計算問題。此外，工作波長近紅外、測量孔徑(φ)600mm，需具備足夠的中頻段傳遞能力、能夠在測量區(qū)域非連通和長腔長下進行測量等條件對干涉儀的相位計算、光學系統(tǒng)設(shè)計和光路調(diào)校等方面提出了更高的要求。

3、本文圍繞以上幾個關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用展開了研究。
　　 移相量的精度直接關(guān)系到相位計算精度，為了解決在不同干涉腔長下測量時的移相量實時標定問題，本文提出了基于李薩如圖技術(shù)和基于一維時域傅立葉變換的移相量標定方法，前者通過李薩如圖擬合技術(shù)實現(xiàn)移相量的計算，精度較高。該方法不要求移相量相等，且在超短腔長（腔長為0.01m左右）時仍能使用，但其對于干涉圖的對比度要求較高，同時參與計算的兩個點的相位差不能是π的倍數(shù)。后者通過對空間某點不同時

4、刻的光強值進行一維傅立葉變換等處理得到移相量，該方法沒有前一種方法的缺點，但要求移相量相等。將該方法應(yīng)用于波長移相干涉儀中，其測量結(jié)果與Zygo GPI移相干涉儀的測量結(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)波長移相干涉測量時的移相量標定，且后者計算性能更穩(wěn)定。
　　 在長干涉腔長下測量時，由于移相步進量分辨率受限導致偏離π/2，給波面計算帶來了誤差。針對此情況，首先，研究了波長調(diào)諧隨機移相算法，該算法不

5、標定移相量，采用最小二乘原理和迭代計算，在適合的收斂條件下實現(xiàn)相位的計算。在長腔長下測量時，該方法的測量結(jié)果與短腔長下的測量結(jié)果偏差約λ/70(PV值)。然后，提出了自適應(yīng)相位篩選法，該算法對多幅移相干涉圖進行篩選得到移相步進量為π/2的干涉圖。在長腔長下測量時，該方法的測量結(jié)果與短腔長下的測量結(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腔長測量時移相量標定的技術(shù)問題，且后者比前者計算精度高。
　　 針

6、對非連通區(qū)域的相位解包問題，提出了基于離散余弦變換算法的種子點相位解包方法。該方法利用種子點法對各分離區(qū)域進行解包，再利用離散余弦變換算法求得的干涉級次，將各分離區(qū)域的解包相位進行統(tǒng)一。實驗驗證了該方法的正確性和精度。該方法能夠快速準確地實現(xiàn)非連通區(qū)域的相位解包。
　　 針對干涉儀的研制需求，光路設(shè)計時采用單片雙凸非球面作為準直物鏡、成像系統(tǒng)采用雙遠心光路、去除旋轉(zhuǎn)毛玻璃等措施來滿足要求。針對波長調(diào)諧激光器的輸出波長分辨率與激光

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)動源，從硬件上保證了激光器能夠?qū)崿F(xiàn)高精度地波長調(diào)諧。針對干涉光路不可見的特點，采用可見光輔助調(diào)校技術(shù)實現(xiàn)了系統(tǒng)的調(diào)校。并對系統(tǒng)的光學質(zhì)量、重復性和測量不確定度進行測量和分析，干涉儀系統(tǒng)的測量不確定度優(yōu)于λ/15。
　　 最后研究了近紅外大口徑波長移相干涉儀的應(yīng)用。首先研究了波長移相干涉儀測量平行平板的光學參數(shù)。測量時，只需要平行平板放入測量和空腔測量兩個步驟，采用傅立葉變換算法實現(xiàn)