基于卷积可解阵列抽样的波前相位恢复和衍射成像

怎样才能快速准确地检测或恢复光波波前的相位信息是现代光学多个研究领域需要解决的一个关键问题。本项目提出了一种新型的基于卷积可解阵列抽样的波前检测方法。前期的可行性研究表明,这种基于新原理的波前检测方法实施装置简单，波长适用范围宽，能够实现波前的实时检测，有良好的应用发展前景。本项目拟对这种基于新原理的波前检测方法及其应用开展深入的理论与实验研究；通过研究待测波前经阵列针孔抽样后的Fraunhofer衍射光场强度分布的空间频谱特性，确定实现卷积可解阵列抽样的一般条件，弄清阵列抽样孔径的阵列结构、孔径大小等参数对波前探测精度的影响；通过建立相应的波前检测实验系统，优化波前探测算法，研究减少测量误差和噪声的方法和途径；研究基于卷积可解阵列抽样波前探测技术实现复振幅物体衍射成像的新方法；为该技术在光学精密测量、自适应光学、极紫外或软X射线衍射成像等领域的实际应用奠定理论与实验基础。

怎样才能快速准确地检测和调制光波波前的复振幅是现代光学多个研究领域需要解决的一个关键问题。本项目重点开展了数字相干衍射成像、数字波前测量和变换等方面的理论和实验研究，特别是基于卷积可解阵列抽样的波前相位恢复和衍射成像、基于液晶空间光调制器（SLM）的波前测量和矢量光调控、数字全息成像等课题的研究，取得了多项有创新性和应用价值的研究成果。主要研究成果有：（1）通过研究待测波前阵列针孔抽样后的远场衍射光强的空间频谱特性，确定了基于夫琅和费衍射实现卷积可解阵列抽样的一般条件，完成了基于卷积可解阵列抽样的相干衍射成像实验系统的建立和数字记录及数字重建程序的设计；（2）对基于阵列抽样的相干衍射成像中物波抽样针孔大小和图像传感器有效记录孔径对重现物波的影响进行了理论分析, 给出了描述抽样孔径和记录孔径对波前再现像影响的数学公式，并给出了确定最佳记录孔径的计算公式；（3）通过对待测波前阵列针孔抽样后的菲涅耳衍射光强及其空间频谱特性的研究，进一步提出了基于菲涅耳衍射的非迭代相干衍射成像方法；（4）提出并实验验证了一种基于本项目发展的多针孔抽样干涉仪的绝对位置坐标测量方法；（5）成功将多针孔抽样干涉仪用于光学涡旋及其轨道角动量测量；（6）提出并实验验证了一种新型的非迭代相移恢复算法－零差算法，并成功用于二步相移数字全息中未知相移量的测量。（7）通过对空间变双折射组合波片(SV-HWP)的空间滤波特性的研究，提出并实验验证了一种基于SV-HWP的光学径向矢量Hilbert变换新方法；（8）提出了矢量空间光调制器（VSLM）的概念，并实验验证了由一个纯相位型SLM和一个组合阵列双折射波片实现VSLM的可行性；（9）基于本项目实验建立的双级联液晶空间光调制实验系统成功实现对输出光束的振幅分布、相位分布和偏振分布的同步调制。通过本项目研究，迄今已发表学术论文13篇，其中有10篇发表在SCI检索的国际专业学术刊物上（如在Opt. Lett.上5篇，在Opt. Express上1篇）。本项目研究成果已申请国家发明专利3项（其中两项已获发明专利授权）。本项目部分研究成果获2012年度山东省自然科学奖二等奖一项（本项目主持人列首位）。同时，在本项目经费资助下培养博士研究生6名（其中1人已通过论文答辩，1名拟于2014年5月答辩），培养硕士研究生9名（其中6人已通过论文答辩）。