2  功率谱密度PSD检测技术
2.1 引言
    传统评价光学元件表面面形质量的指标主要是峰谷值和均方根值。但是这两项指标能提供的光学表面面形质量信息仅仅包含了低频域。在高功率激光装置中,大口径光学元件的制造误差大小会严重的影响其光强调制度,大口径光学元件的制造误差往往是小尺寸的,在空间频率上位于中高频段,所以我们对光学元件的波前频谱分布误差分析时,必须对整个频域都进行评价。
在这里我们引入功率谱密度(PSD)的概念,这原本是在通讯领域中描述电信号在频率域上的功率分布,在上世纪90年代被用来描述光学元件表面的轮廓特征。PSD作为一项新的评价光学元件表面面形评价指标,和传统的指标也有紧密的联系,它可以通过表面微观数据或利用干涉仪所得的离散波面数据,经计算来求得PSD函数曲线。
本章详细介绍了PSD的定义和数值计算方法。
2.2 光学表面面形误差评价的常用函数
2.2.1  峰谷值(PV)
峰谷值(PV)是传统的用于评价光学表面面型质量的指标之一,其数值等于被测波面相对于参考面最大幅度值与最小幅度值的差值。
2.1  波阵面PV值示意图
PV值用来判断光学表面面型误差的依据是瑞利判据,即:“当被测波面和参考波面之间的最大波像差不超过时,可以认为被测波面是可以接受的。”瑞利判据说明了光学系统成像时可接受的波像差公差的最大值,当波像差小于四分之一波长时,可以认为光学系统的成像是清晰的。
瑞利判据最明显的一个优点是在实际应用可以件方便、快速的指导光学元件的加工和检测。我们认定,只要光学元件表面满足瑞利判据即可认为合格。
瑞利判据使用起来虽然很简便,但是还不够严谨。因为在峰谷值中只考虑了参考波面和被测波面波最大允许公差,然而忽略了缺陷部分在整个波面面积中所占的比例。对于两个表面特征完全不一样的光学元件来说,可能它们的PV值相同,这是因为PV值只用到了被测波面上的两个极值,而其他数据点都不在考虑之中,这是极为不合理的。再者,光学元件可能在局部出现小气泡或者划痕,在局部产生很大的波像差,局部占整体面积的比重很小,但是它的整体光学性能可能很好。这时候用瑞利判据是不合理的,这种局部极小区域的缺陷只改变很小的能量,对光学系统的成像质量并没有明显的影响。甚至,有的透镜具有大的PV值,但是它的表面光学性能有可能比具有小的PV值的透镜的光学性能好。如下图2.2、图2.3所示,前者的峰谷值大于后者。但是前者的成像质量肯定好于后者。
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