基于全场相位测量的多尺度动态数字全息干涉仪

针对复杂流场（湍流场、冲击波场、等离子场、声场、多相流溶质扩散及电化学反应过程等）和透明物体（活性生物细胞、光学材料等）折射率（或速度、密度、浓度、温度等）分布的高灵敏度动态可视化测量，以及不透明物体表面形变和缺陷的检测与表征需要，根据不同测量对象相关特征量对物光波相位分布的调制特性，研究基于数字全息干涉原理的动态可视化测量方法与物理模型、数字全息图记录光路结构设计、系统实现以及相应的数据处理软件架构模块设计与优化算法，在此基础上研制出基于全场相位测量的模块化多尺度动态数字全息干涉仪及其配套软件系统，以期为复杂流场的动态分析、生命活动观察、以及材料和器件物性表征与缺陷检测等，提供一种简便而先进的实验研究手段。项目研究综合了先进的数字光信息处理理论、数字全息图记录与数值重建像分辨率改善方法、以及针对多尺度、多性态待测物场的模块化光路系统与相应的软件设计等诸多新技术，具有完全的自主知识产权。

本项目旨在针对湍流场、冲击波场等复杂流场和光学材料等透明物体折射率（或速度、密度、浓度、温度等）分布的高灵敏度动态可视化测量，以及物体表面形变和缺陷检测与表征需要，以具有全场、非接触、非破坏及高灵敏度测量等优点的全息干涉术为基础，研究可实现全场相位动态测量的数字全息干涉方法和模块化多尺度动态数字全息干涉仪及其配套软件系统。所完成的主要研究内容及成果为：.1. 针对不同技术参数要求的光学系统原理方案，完成了模块化的缩微\显微数字全息干涉仪光机结构设计，通过引入光纤技术、波长\角度\偏振复用技术、合成孔径技术以及像差校正技术等，结合光学系统传递函数与系统测量参数分析，研制出不同结构特征的数字全息干涉仪原理样机多台。.2. 以数字全息图的实时获取与数值重建等技术为基础，通过软件整体架构设计，相应的数值重建、相位恢复、像差抑制、信息重构、反馈控制及信息测量等模块的一致性设计，以及底层算法的优化设计，研制出数字全息干涉仪配套软件一套，可实现数字全息图的自动采集、预处理、相位解包裹、物场重建和待测量信息提取等系列功能。.3. 结合数字全息干涉仪的设计和样机测试需要开展了多项应用研究，建立了针对蛋白质结晶生长过程、非稳态两相流扩散过程、瑞利伯纳德对流形成过程、以及微透镜阵列和MEMS器件表面结构等复杂物理场特征量的物理模型，并实现了其全场、非接触、动态及可视化测量。.研究过程中，项目组突破了干涉仪光机结构优化设计与像差抑制、软件架构设计与重建算法优化等一系列技术难题，所开发的数字全息干涉仪可为复杂流场的动态测量与分析、材料和器件物性表征与缺陷检测等，提供一种简便而先进的实验研究手段，具有重要的科学应用价值，并在中航工业613所、中科院力学研究所、中国工程物理研究院流体物理研究所和激光聚变研究中心等单位推广应用，同时入选中国载人空间站核心舱内流体物理实验柜项目（空间数字全息干涉仪），目前已进入仪器的初样研制阶段。.本项目共发表学术论文43篇，其中《Opt. Lett.》、《Opt. Express》等重要期刊论文17篇（SPIE NEWSROOM、JM3特约稿各1篇，SCI收录14篇，EI收录3篇），国际会议论文16篇（EI收录9篇，邀请报告7次），国内会议论文10篇（大会邀请报告2次）；申请国家发明专利6项，获授权发明专利3项；申请并获软件著作权登记4项；培养研究生20名。