四波横向剪切干涉测量术(QWLSI):一种克服夏克-哈特曼波前传感器(Shack-Hartmann)和斐索(Fizeau)干涉仪局限性的强大波前技术

　　什么是波前传感器 ?

　　波前传感器是一种设计用于测量光学波前的装置。“波前传感器”适用于不需要任何参考光束干涉的波前测量仪器，如斐索或泰曼-格林干涉仪。夏克-哈特曼和四波横向剪切干涉术是用于制造波前传感器的两种主要技术。

　　波前传感器用于广泛的应用中，例如光学测试和对准(表面测量、透射波前误差测量、调制传递函数)，自适应光学、光学系统，材料检验，以及定量相位成像。大多数光子学相关行业都可以从波前传感中受益。

　　什么是四波剪切干涉技术?

　　四波横向剪切干涉测量技术(Quadriwave Lateral Shearing Interferometry, QWLSI)，又称改进型哈特曼掩模技术(modified Hartmann mask technique)，是一种获得专利的波前传感技术。该技术凭借其高空间分辨率、无需中继透镜即可测量发散光束的能力以及消色差特性脱颖而出。Phasics公司于2004年将这一技术推向市场，如今其卓越的性能和易于集成的特点已获得国际认可。

　　波前传感的最新创新四波剪切干涉技术是夏克-哈特曼和 斐索干涉术的有力替代品

　　四波横向剪切干涉技术(QWLSI)的开发旨在克服夏克-哈特曼(SH)技术分辨率不足的问题。 它采用了一种智能衍射光栅设计，取代了哈特曼测试中使用的孔阵以及夏克(Shack)在20世纪60年代提出的微透镜阵列结构(后者正是夏克-哈特曼波前传感器的核心组件)。

　　四波剪切干涉技术(QWLSI)特点：

　　- 超高分辨率：比夏克-哈特曼传感器高4倍

　　- 全光谱消色差性能：适配探测器的整个光谱范围

　　- 超大动态范围：可直接测量发散光束

　　- 无参考光路设计：区别于传统斐索干涉仪

　　- 结构紧凑：易于集成实施

　　四波剪切干涉技术原理

　　四波横向剪切干涉技术能以纳米级灵敏度和超高空间分辨率精确测量光束的相位和强度分布。这项创新技术基于衍射光栅的工作原理：首先通过特殊设计的衍射光栅将入射光束复制为4束完全相同的子波前。经过数毫米的传播距离后，这4束复制波前会相互重叠并产生干涉，最终在探测器上形成干涉图样。通过解析干涉条纹的形变特征，即可解码出波前的相位梯度信息。

　　什么是夏克-哈特曼波前传感器(SHWFS)?夏克-哈特曼波前传感器基于两个主要组件：一个微透镜阵列和一个位于微透镜阵列焦平面上的图像传感器。夏克-哈特曼的工作原理是追踪探测器上聚焦光斑的位置。当入射波前为平面波时，所有聚焦光斑的图像都位于由微透镜阵列几何形状定义的规则网格中。一旦波前包含像差，聚焦光斑的图像就会从其初始位置发生偏移。

　　夏克-哈特曼技术的优势在于其紧凑性和快速波前重构算法，能够实现高速波前重构。此外，夏克-哈特曼传感器是自参考式的，因此对环境扰动不敏感。

　　夏克-哈特曼波前传感器的局限性主要与微透镜相关：

　　首先，空间分辨率由微透镜的尺寸和数量决定(通常限制在100×100个测量点，空间分辨率为数百微米);

　　其次，微透镜存在色差，这意味着夏克-哈特曼波前传感器必须在特定波长下进行优化，该波长决定了探测器与微透镜之间的距离。当夏克-哈特曼波前传感器用于其他波长时，测量精度会下降。

　　最后，在强波前畸变的情况下，聚焦光斑可能会超出探测器区域(在强曲率情况下)，或与错误的微透镜关联(串扰)，从而导致测量误差。

　　什么是斐索干涉仪 ?

　　斐索干涉仪的测量原理基于干涉测量装置，该装置依赖于1)参考表面(参考镜或参考波面)与2)测试表面之间的干涉现象。干涉条纹被记录在探测器上，任何表面形状的偏差都会导致条纹变形。然后根据条纹变形计算出波前。

　　斐索干涉仪的优点是其仅受探测器限制的极高分辨率和高波前灵敏度。

　　斐索干涉仪的主要弱点是测量的动态范围有限：在波前偏差较大的情况下，必须采用拼接方法或计算全息图(CGH)集成。此外，斐索干涉仪在测试波长方面缺乏灵活性，因为它仅限于集成激光器。最后，斐索干涉仪往往比自参考波前传感器更笨重，对环境更敏感。

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