偏振同步移相干涉测量用新型液晶计算全息图设计

With the development of aerospace, astronomy and laser fusion systems， high precision, anti-interference, high efficiency detection technology for optical surfaces especially large-aperture aspheric surfaces is now an urgent issue to be solved in optical components manufacturing and optical system aligning process. This project proposes a novel computer generated hologram (CGH) based on liquid crystal (LC) patterned photoalignment technology. LC material presents different refraction index for the incident beams with different polarization states. By taking advantage of this feature, we further propose a simultaneous polarization phase-shifting interferometry (PPSI), and no polarized beam splitter or phase shifter is necessary. This project mainly focus on three scientific problems including polarization feature and phase modulation mechanism of LC material, simultaneous PPSI based on LC CGH, and design methodology of polarization phase-shifting LC CGH. This project aims at forming a systematic design method for LC photoalignment CGH, manufacturing CGH samples for spherical surface detection, accomplishing the principle-proof experiment of testing standard spherical surface with PPSI and verifying the effectiveness of the design method and the fabrication process. It will provide a new type of compensator with rich information, low-complexity process, high-diffraction efficiency and capable of realizing simultaneous phase-shifting for high precision measurement of optical surface. Meanwhile, this will improve the measurement efficiency and range of complex optical surfaces. Furthermore it will lay the theoretical and technical basis for high-precision anti-vibration detection of the optical surface.

航空航天、天文以及激光核聚变等系统的发展实践表明，光学表面面形尤其是大尺寸非球面的高精度、抗干扰、高效率检测技术是光学元件制造和光学系统装校过程中亟待解决的关键问题。本项目提出基于液晶光控取向技术的新型计算全息图（CGH），并利用液晶材料的偏振特性提出一种偏振同步移相干涉方法，无需专门的偏振分光、移相器件。重点突破光控液晶材料偏振特性和相位调制机理，基于液晶CGH的偏振同步移相干涉方法，偏振移相光控液晶CGH设计方法理论等关键科学问题，旨在形成光控取向液晶CGH的系统设计方法，制作球面检测液晶CGH样片，完成标准球面偏振移相干涉检测原理性实验，验证方法和工艺的有效性。为光学面形高精度检测提供一种大信息量、低工艺复杂度、高衍射效率、能实现同步移相的新型补偿器，提高复杂光学表面面形的检测效率和检测范围，为光学面形高精度抗振检测奠定理论和技术基础。

项目背景：航空航天、天文以及激光核聚变等系统的发展实践表明，光学表面面形尤其是大尺寸非球面的高精度、抗干扰、高效率检测技术是光学元件制造和光学系统装校过程中亟待解决的关键问题。本项目提出了基于液晶光控取向技术的新型计算全息图（CGH），并利用液晶材料的偏振特性提出了一种偏振同步移相干涉方法，旨在简化偏振同步移相系统结构，同时进一步减小CGH的最小线宽，提高系统可测面形误差的带宽。.主要研究内容：为了验证这一方法的可行性和精度，在三年的研究期间，如申请书所计划的开展了光控取向液晶材料的偏振特性和相位调制机理，基于液晶CGH的偏振同步移相干涉方法，光控取向液晶CGH图案计算和设计方法，液晶CGH的制作、测试和精度评价等主要内容的研究，同时为了探索光控液晶CGH的工程可行性投入较多时间和精力进行了高衍射效率大面积（>10mm见方）高精度光控液晶CGH的工艺研究，以及因为工艺不稳定原因，液晶膜厚导致的相位变化并非π，因此修正了前期两步移相法的思路，研究了单帧干涉图解相方法，并进一步提出了基于偏振光栅旋转扫描的子孔径拼接干涉测量方案。.重要结果：1、通过对光控液晶CGH的机理、设计、制作和测试，验证了所提测量方法的可行性，尤其是明确了光控液晶CGH波前调制精度的决定因素；2、通过对大面积高精度光控液晶CGH的工艺研究，摸索了液晶材料和引发剂配比、浓度、匀胶速度、时间、曝光/固化时间等对于衍射效率的影响，结合后期将设计图纸发送给国内为数不多的光控液晶光栅加工厂家委托其制作，发现以目前的工艺，要实现大面积内的高衍射效率（高于30%）难度非常大；3、结合单帧干涉图解相和偏振光栅旋转扫描的子孔径拼接反射测量方案是对原方案的有效补充。.关键数据：光控液晶CGH衍射波面设计精度0.01波长，实测衍射平面波精度0.02波长，标准球面综合检测精度0.07波长，衍射效率21.7%。.科学意义：为光学面形高精度检测提供一种大信息量、低工艺复杂度、高衍射效率的新型补偿器，提高复杂光学表面面形的检测效率和检测范围，为光学面形高精度抗振检测奠定理论和技术基础。