Повышение точности определения волновых аберраций оптической системы по распределению интенсивности фокусируемого светового пучка

V. S. Sirazetdinov, I. Yu. Dmitriev, P. M. Linsky, and N. V. Nikitin, "Increasing the measurement accuracy for wave aberrations of an optical system using the intensity distribution of a focused light beam," Journal of Optical Technology. 89(4), 197-204 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000197

Предмет исследования. Представлен метод повышения точности определения волновых аберраций оптической системы по изображению поперечного сечения фокусируемого системой светового пучка в присутствии амплитудных искажений изображения. Метод. Процедура измерений включает в себя определение волновых аберраций оптической системы раздельно по каждому из изображений поперечного сечения пучка, зарегистрированных по разные стороны от фокальной плоскости, и усреднение полученных значений волновых аберраций. Основные результаты. В основе используемого метода определения волновых аберраций оптической системы лежит анализ и обработка искажённого аберрациями распределения интенсивности в изображении поперечного сечения фокусируемого светового пучка, зарегистрированном либо в плоскости перед фокальной, либо за ней. Очевидно, что присутствие неоднородностей интенсивности в сечении светового пучка, не обусловленных волновыми аберрациями, неизбежно будет порождать ошибки измерений. Многократно ослабить влияние таких амплитудных помех на точность измерений удаётся, если дополнительно зарегистрировать и обработать ещё одно изображение поперечного сечения пучка, расположенное на специально выбранном расстоянии по другую сторону от плоскости фокусировки и усреднить значения волновых аберраций, полученных по каждому из изображений. Если в одной из плоскостей регистрации амплитудные и аберрационные искажения распределения интенсивности имеют сходный профиль, то они, складываясь, усиливают степень неоднородности суммарного распределения интенсивности. При этом, в другой плоскости профили амплитудных и аберрационных искажений распределения интенсивности будут взаимно противоположны, что снизит степень неоднородности распределения. Этот эффект и позволяет скомпенсировать вызванные амплитудными помехами ошибки измерения путём арифметического усреднения значений волновых аберраций, полученных раздельно по каждому из изображений. Показано, что таким методом разброс измеренных значений СКО волнового фронта пучка величиной до 20–30%, полученный при раздельных измерениях волновых аберраций в присутствии помех, удаётся снизить до нескольких процентов. Практическое значение. Амплитудные искажения изображения поперечного сечения пучка, не связанные с аберрациями, широко распространены, поскольку присутствуют, например, в светосильных, аподизированных или внеосевых оптических системах. Измерения волновых аберраций подобных оптических систем известным методом по одному изображению фокусируемого пучка не даёт точного результата. Предложенное в настоящей работе усовершенствование этого метода измерений позволяет расширить сферу его применения и на такие системы, сохраняя присущую ему точность измерений на уровне λ/20.