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申请/专利权人：中国科学技术大学

摘要：本发明公开了一种波前传感器，包括：依次放置的第一偏振片、二分之一波片、方解石晶体、四分之一波片、第二偏振片以及阵列光电探测器，且上述器件的光学面与光束传播方向垂直。上述传感器结构简单，所需光学元件少，结合当前成熟的晶体生长和切割工艺，具有批量化生产的潜力。同时，基于二维量子弱测量的波前传感器消除了波前分割采样元件透镜阵列的限制，达到了像素级波前复原精度，因此能够实现超高空间频率的波前复原。更重要的是，打破一直以来提升波前复原精度的思维定式，无需再追求高密度子孔径排布以及复杂的超分辨算法，在波前探测领域具有十分重要的意义。

主权项：1.一种波前传感器，其特征在于，包括依次放置的如下器件：第一偏振片、二分之一波片、方解石晶体、四分之一波片、第二偏振片以及阵列光电探测器，且上述器件的光学面与光束传播方向垂直；利用所述波前传感器对激光光束波前进行预选择、弱测量及后选择，获得待测激光光束波前的斜率信息，再结合哈特曼波前复原算法来复原激光光束波前。

全文数据：一种波前传感器技术领域本发明涉及光学信息测量以及量子精密测量技术领域，尤其涉及一种波前传感器。背景技术波前传感技术是一门现代光学测量技术，通过对远场光束强度分布的采样、调制与探测，实现波前相位的重构复原，广泛地应用于波前校正、天文观测、医学成像、激光技术等领域。典型的波前传感器包括剪切干涉仪、曲率波前传感器和哈特曼波前传感器。这些传感器具有不同的特征与性能，适用于不同的应用场合。其中哈特曼波前传感器光能利用率高、抗噪能力强、简洁高效、可实时测量，已经成为常见的波前传感器之一。典型的哈特曼波前传感器可以参见中国专利申请公开说明书申请号98112210.8，公开号CN1245904公开的一种光学波前传感器，它通过透镜阵列将入射波前划分为多个可看作倾斜入射的子波前，并在透镜阵列的焦平面上放置一个阵列性光电探测器，阵列性光电探测器一般采用CCD探测器或者CMOS探测器，通过检测每个焦点的偏移量，测量出各子孔径波前的倾斜量，通过对各子波前的拟合复原，重构出待测波前。然而哈特曼波前传感技术存在以下两点与生俱来的技术难点：1测量精度与动态范围之间的矛盾。高精度的波前传感需要进行充分采样，该过程需要密集的子孔径划分，这将导致子孔径面积变小，从而使得波前传感器动态范围变小。因此，提升波前测量精度往往是以牺牲动态范围为代价。2哈特曼波前传感器的空间分辨率的限制。哈特曼传感器的测量精度主要依赖子孔径密度，但子孔径数目无法无限增加，毕竟每个子孔径需要一定像素来成像。因此，从传统探测策略分析，哈特曼波前传感器难以企及像素级的空间分辨率。提升哈特曼波前传感器的测量精度已经成为一个研究热点，目前方案往往通过增加装置、算法复杂性来尽可能提高波前复原精度，但无法突破这一根本限制。发明内容本发明的目的是提供一种波前传感器，摆脱了透镜阵列的子孔径密度限制，使波前测量精度提升到了像素级水平。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种波前传感器，包括：依次放置的第一偏振片、二分之一波片、方解石晶体、四分之一波片、第二偏振片以及阵列光电探测器依次放置，且上述器件的光学面与光束传播方向垂直。由上述本发明提供的技术方案可以看出，传感器结构简单，所需光学元件少，结合当前成熟的晶体生长和切割工艺，具有批量化生产的潜力。同时，基于二维量子弱测量的波前传感器消除了波前分割采样元件透镜阵列的限制，达到了像素级波前复原精度，因此能够实现超高空间频率的波前复原。更重要的是，打破一直以来提升波前复原精度的思维定式，无需再追求高密度子孔径排布以及复杂的超分辨算法，在波前探测领域具有十分重要的意义。附图说明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。图1为本发明实施例提供的一种波前传感器的组成结构示意图；图2为系统需要测量的激光光束波前示意图；图3为系统需要测量的激光光束波前所包含的像差阶数示意图；图4为利用基于二维量子弱测量的波前传感器复原的波前示意图；图5为利用本发明复原的波前与待测量波前残差示意图。具体实施方式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。本发明实施例提供一种波前传感器，如图1所示，其主要包括：第一偏振片1、二分之一波片2、方解石晶体3、四分之一波片4、第二偏振片5和阵列光电探测器6，上述光学器件依次连接，且光学面与光束传播方向垂直。同时：所述第一片偏振片光轴沿水平方向；所述二分之一波片光轴与竖直方向夹角为22.5°；所述方解石晶体光轴位于竖直平面内或者位于水平面内，且与光束传播方向夹角为42°；所述四分之一波片光轴与竖直方向夹角为45°；所述第二片偏振片光轴沿水平方向；所述阵列光电探测器为CCD相机、CMOS相机或者ICCD相机。如图2表示待复原的激光光束波前，图3表示图2所示激光光束波前所具有的像差Zernike系数。为测量图2给出的激光光束波前，利用所述波前传感器对激光光束波前进行预选择、弱测量及后选择，获得待测激光光束波前的斜率信息，再结合哈特曼波前复原算法来复原激光光束波前。下面针对预选择、弱测量及后选择三个阶段做详细的介绍。1、预选择利用第一偏振片与二分之一波片进行预选择：入射激光经过光轴沿水平方向的第一片偏振片后被调制为水平线偏振光|H，再经过光轴与竖直方向夹角为22.5°的二分之一波片，入射激光变为线偏振光完成入射激光初态制备，表示为：|ψ＝|ψpath|D，其中，|ψpath表示为待测激光空间复振幅，|V表示竖直偏振。2、弱测量利用方解石晶体进行弱测量，分为如下两个过程：第一个过程：经过光轴位于水平面内与光束传播方向夹角为42°的方解石晶体，激光光子与晶体发生相互作用，光子态演化为：其中，表示测量指针，表示光子动量，g表示耦合强度，表示普朗克常数，i表示虚数单元，t表示演化时间，符号≡表示等于，表示线偏振。第二个过程：旋转方解石晶体使其光轴位于竖直平面内且与光束传播方向夹角为42°，使激光光子与晶体发生相互作用。本发明实施例中，可以采用特定切割角度的方解石晶体进行弱测量，以摆脱微透镜阵列对波前复原分辨率的限制，降低了对高精度透镜阵列的依赖和需求。3、后选择。利用四分之一波片、第二偏振片以及阵列光电探测器进行后选择：对应于弱测量的第一个过程：分别向右旋光投影基和左旋光投影基做投影，分别对应四分之一波片的光轴与竖直方向夹角为-45°和+45°，从而在阵列光电探测器上接收到光束光强分布和由此计算光强与y方向激光光束波前斜率ky的关系：其中，ζ表示方解石晶体的耦合强度；对应于弱测量的第二个过程：采用相同的原理，在阵列光电探测器上接收到光束光强分布和由此计算光强与x方向激光光束波前斜率kx的关系：整个测量阶段可以利用如下步骤来描述：步骤1：待测激光光束波前依次经过所述第一片偏振片、二分之一波片、方解石晶体光轴位于水平面内与光束传播方向夹角为42°、四分之一波片光轴与竖直方向夹角为+45°、第二片偏振片在阵列光电探测器探测到光束光强分布步骤2：在步骤1的基础上，绕光传播方向旋转所述四分之一波片使其光轴与竖直方向夹角为-45°，阵列光电探测器探测到光束光强分布步骤3：在步骤2的基础上，绕光传播方向旋转所述方解石晶体使其光轴位于竖直平面内且与光束传播方向夹角为42°，阵列光电探测器探测到光束光强分布步骤4：在步骤3的基础上，绕光传播方向旋转所述四分之一波片使其光轴与竖直方向夹角为+45°，阵列光电探测器探测到光束光强分布步骤5：利用步骤1-4所测量阵列光电探测器探测到的光束光强分布，计算待测波前的斜率分布为：步骤6：利用步骤5中得到的波前斜率分布，结合传统哈特曼波前复原算法，例如区域法，模式法，重构待测波前。图4为利用上述波前传感器复原的激光光束波前，图5表示复原波前与待测波前残差。可以看到复原波前与输出波前几乎完全一致，其差异已非常小，说明本发明所提供的上述波前传感器有效探测波前误差，实现波前复原，此外，所采样的波前斜率是像素级的，因此波前复原可以达到像素级空间分辨率。本发明实施例提供的上述波前传感器复原相对于传统方案主要具有如下优点：本发明提供的波前传感器装置结构简单，所需光学元件少，结合当前成熟的晶体生长和切割工艺，具有批量化生产的潜力。同时，测量所需步骤简单并且沿用了传统的哈特曼波前复原算法，具有用时短、效率高的特点。此外，基于二维量子弱测量的波前传感器消除了波前分割采样元件透镜阵列的限制，达到了像素级波前复原精度，因此能够实现超高空间频率的波前复原。本发明打破一直以来提升波前复原精度的思维定式，无需再追求高密度子孔径排布以及复杂的超分辨算法，在波前探测领域具有十分重要的意义。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。

权利要求：1.一种波前传感器，其特征在于，包括：依次放置的第一偏振片、二分之一波片、方解石晶体、四分之一波片、第二偏振片以及阵列光电探测器依次放置，且上述器件的光学面与光束传播方向垂直。2.根据权利要求1所述的一种波前传感器，其特征在于，所述第一片偏振片光轴沿水平方向；所述二分之一波片光轴与竖直方向夹角为22.5°；所述方解石晶体光轴位于竖直平面内或者位于水平面内，且与光束传播方向夹角为42°所述四分之一波片光轴与竖直方向夹角为45°；所述第二片偏振片光轴沿水平方向；所述阵列光电探测器为CCD相机、CMOS相机或者ICCD相机。3.根据权利要求1所述的一种波前传感器，其特征在于，利用所述波前传感器对激光光束波前进行预选择、弱测量及后选择，获得待测激光光束波前的斜率信息，再结合哈特曼波前复原算法来复原激光光束波前。4.根据权利要求3所述的一种波前传感器，其特征在于，复原激光光束波前的步骤包括：步骤1：待测激光光束波前依次经过所述第一片偏振片与二分之一波片进行预选择，经过光轴位于水平面内与光束传播方向夹角为42°的方解石晶体进行弱测量，经过光轴与竖直方向夹角为+45°的四分之一波片、第二片偏振片与阵列光电探测器进行后选择，探测到光束光强分布步骤2：在步骤1的基础上，绕光传播方向旋转所述四分之一波片使其光轴与竖直方向夹角为-45°，阵列光电探测器探测到光束光强分布步骤3：在步骤2的基础上，绕光传播方向旋转所述方解石晶体使其光轴位于竖直平面内且与光束传播方向夹角为42°，阵列光电探测器探测到光束光强分布步骤4：在步骤3的基础上，绕光传播方向旋转所述四分之一波片使其光轴与竖直方向夹角为+45°，阵列光电探测器探测到光束光强分布步骤5：计算待测波前的斜率分布为：其中，ζ表示方解石晶体的耦合强度；步骤6：利用步骤5中得到的波前斜率分布，结合哈特曼波前复原算法来复原激光光束波前。5.根据权利要求3或4所述的一种波前传感器，其特征在于，利用第一偏振片与二分之一波片进行预选择：入射激光经过光轴沿竖直方向的第一片偏振片后被调制为水平线偏振光|H，再经过光轴与竖直方向夹角为22.5°的二分之一波片，入射激光变为线偏振光完成入射激光初态制备，表示为：|Ψ＝|ψpath|D，其中，|ψpath表示为待测激光空间复振幅，|V表示竖直偏振；利用方解石晶体进行弱测量，分为如下两个过程：第一个过程：经过光轴位于水平面内与光束传播方向夹角为42°的方解石晶体，激光光子与晶体发生相互作用，光子态演化为：其中，表示测量指针，表示光子动量，g表示耦合强度，表示线偏振；第二个过程：旋转方解石晶体使其光轴位于竖直平面内且与光束传播方向夹角为42°，使激光光子与晶体发生相互作用；利用四分之一波片、第二偏振片以及阵列光电探测器进行后选择：对应于弱测量的第一个过程：分别向右旋光投影基和左旋光投影基做投影，分别对应四分之一波片的光轴与竖直方向夹角为-45°和+45°，从而在阵列光电探测器上接收到光束光强分布和由此计算光强与y方向激光光束波前斜率ky的关系：其中，ζ表示方解石晶体的耦合强度；对应于弱测量的第二个过程：采用相同的原理，在阵列光电探测器上接收到光束光强分布和由此计算光强与x方向激光光束波前斜率kx的关系：

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