基于刀口扫描滤波的大梯度光学元件中频误差检测方法及其应用

《Optics & Laser Technology》：Knife-edge scanning filtering method for mid-spatial frequency errors detection in large-gradient optics

本文提出了一种刀口扫描滤波方法，用于大梯度光学元件中频表面误差的功率谱密度（PSD）测量。该方法通过双向扫描直接提取波前相位梯度，避免了波前重建及积分累积误差，具有大动态范围和高精度特点。研发的集成刀口模块简化了光路校准流程，实验显示PSD特征峰相对误差小于7%，为大功率激光系统中关键光学元件的高效加工与检测提供了新方案。

　　

Highlight

测量原理

图1展示了刀口扫描滤波方法的光学模块结构。激光输出被扩束成准直测量光束后导入系统。对于透射型样品，测量光束携带相位信息穿过样品进入成像系统；反射型样品则需增加分束器（图1虚线框）。通过记录无样品时的光场可消除背景噪声。

仿真验证

我们通过数值仿真验证了刀口扫描滤波方法的有效性。仿真基于薄透镜近似理论，采用角谱模型描述波前传播。关键参数包括：波长λ=351 nm，傅里叶变换透镜焦距f₁=f₂=1.5 m，探测面分辨率1000×1000，像素尺寸10 μm。首先利用泽尼克多项式生成低频基底，再叠加中频误差进行模拟。

实验装置

图3为刀口扫描滤波方法的实验装置图。激光器发出的窄光束经显微物镜聚焦，通过针孔滤波形成点光源，再由凸透镜准直为大孔径平行测量光束。成像系统由两片凸透镜组成，前透镜焦点与后透镜焦点重合。为便于光路校准，专门设计了集成刀口模块，可实现扫描方向快速切换与精确切割定位。

讨论

理论分析与仿真结果表明，本方法的动态范围与刀口扫描范围呈正相关。通过选择合适的扫描范围，可实现大梯度波前PSD的定量评估，解决了传统干涉仪测量大梯度元件时的技术难点。与多数测量方法类似，其动态范围同时受成像系统孔径限制。

结论

本研究提出的刀口扫描滤波方法实现了大梯度光学元件中频误差的测量。该方法通过刀口扫描进行差分滤波，可在宽动态范围内测量波前相位梯度并直接计算PSD。通过规避波前重建，消除了积分可能产生的累积误差。多帧阴影图的组合测量方式显著提升了信噪比，集成化刀口模块则简化了操作流程。实验证实PSD特征峰测量相对误差小于7%，为大功率激光系统中关键光学元件的高效检测提供了可靠方案。