四波横向剪切干涉波前传感器用于测量激光和光学透镜

本篇文章介绍了四波横向剪切⼲涉仪(Quadriwave lateral shearing interferometry，QWLSI)的应⽤，这是⼀种波前传感技术，可通过⼀台仪器来表征2⾄16µm红外波⻓的光束。该技术可⽤于通过测量像差来量化光学系统（如热红外镜头）的质量。它还可以评估红外范围内的激光源，如⼀些⽓体激光器（氦氖激光器或⼆氧化碳激光器）、红外光学参量振荡器激光源或量⼦级联激光源。在所有情况下，四波横向剪切⼲涉仪都提供了⼀个关键优势，即它⽆需使⽤参考光束就可以产⽣分析的波前，因此⽆需进行耗时的校准。在本⽂中，我们⾸先介绍了可⽤于2和16µm波⻓范围内的单⼲涉仪，从⽽涵盖了MWIR（λ在3和5µm范围内）和LWIR（λ在8和14µm范围内）范围。然后，我们介绍了两种⽓体激光器的特性：红外HeNe激光器(λ=3.39µm)和CO2激光器(λ=10.6µm)与该仪器。我们最后展⽰了两种不同波⻓的红外透镜的实验分析，⼀个在MWIR范围内(λ=3.39µm)，另⼀个在LWIR范围内(λ=10.6µm)。

巴黎理工学院（法文：Institut polytechnique de Paris）发表的这篇文章的中文标题可以翻译为：中波红外和长波红外（MWIR和LWIR）波前感应四波横向剪切干涉测量法。四波横向剪切⼲涉仪的波前传感已被⽤于表征可⻅光和近红外域中的光束（波前和强度测量）。该技术可⽤于实现激光束计量⾼功率激光链中或表征成像系统的质量如⼈⼯晶状体。在本⽂中，我们建议将波⻓域扩展到λ在2和16µm范围内的红外线。在PHASICS，我们开发了名为SID4的商⽤波前传感器，基于四波横向剪切⼲涉测量法。由于其简单性（设置仅由衍射光栅和探测器阵列构成），该技术是红外计量的⼀个特别好的答案，并提供了具有成本效益的解决⽅案。

关于激光束计量在红外领域的应⽤，我们可以⾸先引⽤⾼功率CO2激光器（λ=10.6µm）的分析。这些激光器通常⽤于在⼴泛的⼯业应⽤中雕刻、标记或切割材料。例如，它们还⽤于光谱或激光雷达应⽤的科学领域。尽管许多此类激光器在世界范围内销售，但很少有仪器可⽤于强度分布表征，甚⾄更少⽤于波前测量。基于QWLSI的⽅法允许对激光进行完整的场分析，并给出光束参数，例如M²、腰部位置和尺⼨、斯特列尔⽐或远场分析。还可以评估放置在激光链中的光学元件的影响，以及稳态或瞬态热效应。对整个链条产⽣的焦点的预测对于评估标记或切割过程也特别有趣。

四波横向剪切干涉也是分析红外成像系统质量的⼀种⾮常有⽤的技术。在过去的⼏年里，热红外图像由于其⼴泛的应⽤（情报收集、安全问题、夜视、热成像……）⽽迅速扩展。这种扩展伴随着红外探测器技术的进步，允许⽣产⼤规模探测器阵列（320x256、640x512像素）。对具有⾼灵敏度的控制系统的需求⽀持了对⾼性能系统不断增⻓的需求，特别是在其光学部件的鉴定⽅⾯。对于该特定问题，波前传感是⼀种特别合适的方法

中波红外和长波红外的四波横向剪切⼲涉测量

在90年代，Primot及其同事[4]将横向剪切⼲涉测量的概念扩展到超过2个波。这导致了多波横向剪切⼲涉仪的发明，特别是紧凑型四波横向剪切⼲涉仪的发明。这种技术的原理⾮常简单：波前被衍射光学元件分成复制品（⻅图1）。每个副本都会传播并因此与其他副本分开。在它们仍然重叠的区域中，⼲涉图案可以获取每对衍射级之间的相位差。因为它们是分开的并且如果传播⾜够短，这个相位差与波前内的局部相位梯度成⽐例。因此，每对副本都会提供有关沿⼀个⽅向的梯度的信息（由两个副本的k向量差异决定）。由于围绕与每个复制对相关联的每个载波频率的傅里叶分析，相位梯度得以恢复。

图1：多波横向剪切⼲涉测量原理，以四波⼲涉为例。光束从左侧⼊射。它⾸先被衍射并由检测器阵列记录⼲扰。

该原理已在激光计量中应⽤于3波⼲涉仪，这是其最简单的变体。得益于所谓的改良哈特曼掩模(MHM)，优化过程导致了4波⼲涉仪。这种2D衍射光学器件旨在仅将90%以上的功率集中在前4个+/-1衍射级中。因此，制作四波横向剪切⼲涉仪(QWLSI)是⼀个很好的选择。

在Quadriwave lateral shearing interferometry （QWLSI）的情况下，观察到的⼲涉图案是正弦条纹的笛卡尔⽹格。如果波前是平坦的，则瞳孔中的⽹格间距是相同的。如果波前包含像差，则⽹格会变形，并且变形与局部相位梯度成⽐例。然后将积分过程应⽤于这些相位梯度，以重建相位图。

为了开发⽤于中波红外和长波红外测量的⼲涉仪，我们⾸先实现了专⽤于红外区域的MHM。然后我们选择⼀个微测辐射热计阵列来记录MHM创建的⼲涉图案。由于使⽤了对2到16µm的波⻓敏感的ULIS宽带微测辐射热计，我们获得了⽤于MWIR和LWIR区域的单⼀仪器。基于此探测器，波前传感器具有⾼空间分辨率（≈7000个测量点）。除了宽带响应的关键优势外，这种⾮制冷技术还使设备易于使⽤并集成到计量测量台或激光链中。

CO2激光束分析

多波横向剪切⼲涉仪已经成功地⽤于激光评估。成功归功于其概念简单性和计量性能的结合。使⽤QWLSI对激光束的分析给出了其波前质量以及重要参数，例如腰部尺⼨和位置、光束发散度和M²参数。

下⾯，我们介绍CO2激光器(λ=10.6µm)和红外HeNe(λ=3.39µm)的分析。在这些分析过程中，QWLSI被简单地放置在激光束中，如图2所⽰。

图2：激光束分析的设置。

我们⾸先使⽤四波横向剪切⼲涉仪来表征CO2激光器。在分析此CO2激光器期间获得的实验⼲涉图如图3所⽰

图3：在CO2激光束分析期间获得的实验⼲涉图。

通过其分析，我们获得了图4所⽰的强度和波前图。从这些图中，我们可以推断出光束参数（表1）。

图4：CO2激光束分析。强度（左侧）和波前（右侧）制图。

波前RMS	0.168λ
波前无离焦RMS	0.028λ
椭圆率	0.99
M²	1.17
二次弯矩梁直径	5.62mm
QWLSI卡的腰距位置	869mm
第二弯矩横梁在腰部位置直径	2.84mm
发散角	2.39mrad

表1：CO2激光器的光束参数

上⾯介绍的波前主要由散焦项构成，因为分析是在发散光束中进⾏的。知道光束散焦项，我们就可以计算出腰部位置及其直径。在我们的设置中，腰部的测量位置与激光封装的前部重合。

没有散焦的残余波前是光束质量的特征，并且会对焦点图案产⽣很⼤影响。此外，由于波前和强度分析的结合，我们能够预测焦点的图案。这在⽤于切割或雕刻材料的⾼功率CO2激光链中特别有趣。

实验红外氦氖激光束分析

Quadriwave lateral shearing interferometry （QWLSI）也可⽤于测量波长在MWIR区域的激光。为了证明这⼀点，我们在此建议使⽤与CO2激光器相同的程序分析红外HeNe（λ=3.39µm）

（⻅上⽂）。强度和波前图如图5所⽰，光束参数详⻅表2。

图5：红外HeNe激光束分析。强度（左侧）和波前（右侧）制图

波前RMS	0.754λ
波前无离焦RMS	0.070λ
椭圆率	0.96
M²	1.50
二次弯矩梁直径	6.80mm
QWLSI卡的腰距位置	1114mm
第二弯矩横梁在腰部位置直径	1.12mm
发散角	2.01mrad

表2：HeNe激光器的光束参数

这两个实验光束分析表明QWLSI能够表征MWIR和LWIR区域中的激光束。可以解决其他具有红外波长的激光技术，例如光学参量振荡器(OPO)或量⼦级联激光器(QCL)。

使⽤四波横向剪切干涉进⾏红外光学测量我们在此展⽰了在两种不同波长下对单个ZnSe透镜的分析：λ1=3.39µm（使⽤红外HeNe激光器）然后在λ2=10.6µm（使⽤CO2激光器）。从像差制图中，我们然后计算点扩散函数（PSF）和调制传递函数（MTF）。我们最后展⽰了⼀个实验焦距测量。

使⽤四波横向剪切干涉技术进⾏光学计量

使⽤QWLSI对透镜进⾏表征⾮常简单：经过校准的准直光束通过透镜传播，然后由SID4波前传感器分析透射波前（参⻅图6）。如果镜头是完美的，则测量的波前是球⾯，如果不是，则到球⾯的距离是镜头像差。从像差图中，我们可以模拟PSF并推导出镜头的MTF。

图6：使⽤QWLSI进⾏镜⽚计量的原理

平凸透镜在λ1=3.39µm和λ2=10.6µm的实验分析

我们在两种不同波长下分析了由ZnSe制成的平凸透镜：λ1=3.39µm，然后λ2=10.6µm。镜头规格为：直径=25.4mm，曲率半径=106.15mm，3.39µm焦距=73.92mm±1%，10.6µm焦距=75.66mm±1%。测量原理如图7所⽰。准直光束是通过望远镜扩展激光束获得的。

然后将透镜放置在准直光束中，首先是平⾯，以产⽣⼤的球⾯像差。我们在直径等于24毫⽶的瞳孔上分析了透镜。我们将QWLSI置于发散光束中，距焦散⼏毫⽶。为了在波长λ1和λ2中获得分析，我们只改变了激光源，透镜和QWLSI保持在相同的位置。然后我们记录了每个波长的干涉图（⻅图8）并对其进⾏分析以获得像差图。

左图图7：在λ1=3.39µm和λ2=10.6µm处具有QWLSI的ZnSe透镜的分析⽅案

右图图8:实验干涉图(λ=10.6µm)

图9和图10显⽰了透镜在λ1和λ2处产⽣的像差

λ1=3.39µm处的像差细节
瞳孔直径	5.880mm
曲率半径	18.944mm
M²	3.22
波前有效值	1.281µm
散光泽尼克系数	0.030 µm (RMS)
散光角度	-13.09°
Coma Zernike Coef.	0.193 µm (RMS)
Coma Angle	-80.67°
Spherical aberration Zernike Coef.	1.266 µm (RMS)

图9：λ1=3.39µm处的像差图和细节

λ2=10.6µm处的像差图和细节
瞳孔直径	5.600mm
曲率半径	17.129mm
M²	3.06
波前有效值	1.191µm
散光泽尼克系数	0.036 µm (RMS)
散光角度	-8.55°
Coma Zernike Coef.	0.149 µm(RMS)
Coma Angle	81.37°
Spherical aberration Zernike Coef.	1.181µm (RMS)

图10：λ2=10.6µm处的像差图和细节

最好的球体已从上⾯显⽰的地图中删除，以显⽰镜头产⽣的像差。该球体的知识允许计算分析光束的曲率半径Rc。我们可以观察到Rc(λ2)⼩于Rc(λ1)，这是由于λ1和λ2处的焦距之间的差异(f(λ2)>f(λ1))，如图7所⽰。位移焦距运动的焦距（1.81mm）⾮常接近λ1和λ2焦距之间的理论差（1.74mm）。由于ZnSe材料的折射率分散，这种差异特别显着。这种焦距差异也解释了瞳孔直径之间的差异（在λ1处更⼤）。

为了解释像差，我们将波前制图投影到Zernike多项式上。正如所料，像差主要由球⾯像差构成。也⼏乎没有像散和彗差，这肯定是由于镜头分别与准直光束和波前传感器的未对准所致。

PSF和MTF计算（点扩散函数和调制传递函数）

从像差和强度图，我们可以模拟点扩散函数（PSF）并推导出调制传递函数（MTF）。图11显⽰了从10.6µm的ZnSe透镜的相位分析获得的PSF和MTF。在MTF图上，我们绘制了⽔平和垂直MTF曲线以及理想镜头的MTF

具有相同的数值孔径。在这种特殊情况下，实验MTF与理论MTF相⽐严重恶化。这与平凸透镜产⽣的⾼球差直接相关，特别是当光束⼊射到透镜的平⾯上时。对于成像⽬的，物镜具有更复杂的光学设计，特别是使⽤⾮球⾯透镜，以增加光学特性并达到最佳成像质量。

图11：从图10所⽰的实验相位制图获得的计算PSF（左侧）和MTF（右侧）。⽔平（实线）和垂直（虚线）MTF曲线可以与衍射极限进⾏⽐较MTF（虚线）。

焦距测量

焦距是成像系统的基本参数。它的知识在成像系统的设计（评估未来的规格，例如数值孔径、分辨率或视场⻆）和实现（定位与焦平⾯阵列有关的物镜）期间尤为重要。

我们最近开发了⼀个新模块来实现焦距测量。我们将在下⾯介绍使⽤此特定模块的另⼀个单镜头的分析。我们在这⾥使⽤上述测试台在λ=3.39µm和10.6微⽶。表3给出了理论值和实验结果。

波长	理论焦距	实际焦距
3.39µm	25.05mm±0.50mm	25.10mm ±0.20mm
10.6µm	25.64mm±0.51mm	25.53mm ±0.20mm

表3：ZnSe平凸透镜焦距测量的理论和实验结果

绝对值与理论值⾮常吻合，结果在镜头供应商给出的焦距精度范围内。此外，由于测量的灵敏度，焦点的⾊位移（fλ=3.39µm<fλ=10.6µm）得以恢复。

结论

在本⽂中，我们想展⽰四波横向剪切干涉波前传感技术在红外领域的两种不同应⽤：激光束评估和使⽤单⼀仪器的光学计量。对于这些应⽤，我们开发了⼀种基于⾮制冷宽带微测辐射热计阵列的干涉仪，专⽤于测量λ在2和16µm范围内。我们特别展⽰了两种波长的波前分析：3.39µm（使⽤红外HeNe激光获得）和10.6µm（使⽤CO2激光）。所展⽰的实验应⽤证明了QWLSI的易⽤性，它可以集成到激光束链或光学计量台中，⽆需任何额外的光学系统。

我们的设备可以处理其他红外光源，具体取决于应⽤，例如黑体源[3]，在红外域中产⽣多⾊光或基于OPO或QCL的最新技术。

这篇文章是SPIE发表的，报道了MWIR和LWIR波前传感与四波横向剪切干涉测量，文章名为Sabrina Velghe, Djamel Brahmi, William Boucher, Benoit Wattellier, Nicolas Guérineau, Riad Haïdar, Jérôme Primot, "MWIR and LWIR wavefront sensing with 四波 lateral shearing interferometry," Proc. SPIE 7300, Infrared Imaging Systems: Design, Analysis, Modeling, and Testing XX, 73000T (22 April 2009);