四波前横向剪切干涉（QWLSI）是一种精度高、动态范围大、分辨率高、抗干扰能力强的瞬态波前检测技术。本文结合国内外相关研究工作，重点阐述了本课题组在分束器件设计、多方向横向剪切干涉图处理、测量误差校准等QWLSI的关键技术研究方面取得的进展。以关键技术研究为基础，本课题组开发了QWLSI的原理装置，其绝对测量精度（RMS）达到0.0038λ（2.4 nm，λ=635 nm），重复测量精度（RMS）达到0.0004λ（0.25 nm，λ=635 nm）。QWLSI与商品化的夏克-哈特曼波前传感器的对比实验结果表明，两种仪器对含有第4~36项单项Zernike像差入射波前的测量结果基本一致。

模式耦合误差常见于横向剪切干涉测量中基于波前梯度数据的模式复原法，其原因是用于表示波前的基函数 ——Zernike圆多项式的导数不正交。使用一种含有 Gram矩阵的矩阵方程进行复原，直接利用 Zernike圆多项式 m≠0模式角向导数对于权重函数 w(ρ)=ρ (极坐标下)的正交性，以及 Zernike圆多项式 m=0模式径向导数对于权重函数 w(ρ)=ρ(1-ρ2)(极坐标下)的正交性进行复原。该方法无需构造辅助的向量函数，并可得到无耦合的 Zernike系数，复原结果表明，模式耦合得到了避免。该方法可推广到环上，得到无耦合的 Zernike环多项式系数。

针对光栅横向剪切干涉仪研究了旋转绝对检测的方法，并用前36项Zernike多项式标定出剪切装置的系统误差非对称项。研究结果表明，将面形检测的绝对算法应用于检测镜头系统波像差，在干涉仪系统误差消除后可以达到相对理想的检测精度。实验数据的重复性的均方根可以达到0.14 nm。

设计了基于振幅型棋盘光栅的二维剪切干涉仪, 用于测量大数值孔径(NA)物镜的波像差。研究了棋盘光栅剪切干涉仪的基本原理, 分析了大数值孔径物镜波像差测量时涉及的几个特殊问题。首先, 根据棋盘光栅的远场衍射函数分析了棋盘光栅的衍射效率和衍射级分布, 给出了剪切干涉图数据的处理方法。接着, 根据球面光瞳坐标与平面探测器坐标的投影关系, 分析了光瞳坐标畸变的影响; 采用几何光线追迹方法, 分析了光栅方程非线性对系统误差的影响。最后, 推导了物镜光瞳边缘的相对照度与数值孔径的关系。试验结果表明：采用相同光瞳坐标, NA为0.6的显微物镜的波像差测量重复性（3σ）可达到3.7 mλ。对大数值孔径物镜测量过程中涉及的特殊问题进行了探讨, 结果提示：测量大数值孔径物镜的波像差时, 需要考虑光瞳坐标畸变、光栅方程引入的系统误差、光瞳边缘照度衰减的影响等。

为了分析一维相移剪切干涉仪中调制度的变化规律和影响。研究了一维光栅相移剪切干涉仪的基本原理，推导了干涉光强公式和光强调制度函数。通过将泽尼克单项像差代入到调制度函数因子，分析了泽尼克像差、剪切比对调制度函数的影响，发现测量范围主要受到高级球差和大剪切比限制。设计了一维相移剪切干涉仪的可见光实验装置，在632.8 nm 波长分别使用周期为9 μm、18 μm 一维光栅测量了一个NA=0.25 显微物镜的波像差，实验结果表明：光栅周期为18 μm 时可以正确测量，光栅周期为9 μm 时，调制度存在反转点，像差超出测量范围，并验证调制度函数分析结果的正确性。

在分析Ronchi 相移剪切干涉仪典型系统参数的基础上，系统研究了该干涉仪相位提取精度的主要影响因素。结合传统的五步相移算法，采用所提出的八步与十步相移算法，对Ronchi相移剪切干涉仪的相位提取误差进行理论分析和仿真计算。仿真结果说明，八步和十步相移算法可以有效地消除多级衍射光寄生干涉对相位提取精度的影响，且十步相移算法比八步相移算法具有更高的相位提取精度；为了提高测量精度，要求相移误差优于2%；探测器位数大于10位；光栅周期误差小于1%；光源空间相干性低于0.1。通过采用不同的相移算法、剪切率和光源空间相干性的三组对比实验，对理论分析的正确性进行了验证。

大气湍流的随机变化对星地激光通信性能有所限制，高速激光通信对瞬时湍流特性的描述提出新的要求。基于剪切干涉法对大气相干长度进行直接、实时测量。通过测量经过大气扰动的畸变光波前的剪切相位分布，利用满足各态历经随机过程条件时，相位结构函数的时间平均等于系综平均的特点，结合Fried相位结构函数，得到实时的大气相干长度。采用波长为635 nm的光波进行1.2 km距离实验，成功测得了大气相干长度，并通过对比实验验证了其可行性，解决了在高速激光通信中，传统的测量大气相干长度方法在时间累积和统计分析方面的限制。

分析了激光相干合成装置及其光路调整要求, 提出利用剪切干涉检测合成光路中子光束一致性的方法。分析剪切干涉原理, 建立了剪切板干涉物理模型, 以相干合成中两路矩形光束拼接组束为例, 数值模拟并研究了子光束的整体倾斜、离焦所对应的剪切干涉条纹, 得到了条纹图像与子光束光轴误差、离焦误差之间的对应关系, 用于相干合成光路中子光束光轴和发散角误差的判断。光轴倾斜大于5 μrad时, 可以直接观察互干涉和自干涉条纹变化, 发散角在大于10 μrad时, 干涉条纹变化明显。此外, 剪切干涉的自干涉条纹平移可用来检测子光束间的活塞误差, 可作为光束拼接相干合成中闭环相位检测和控制的手段。

基于雅敏干涉装置，提出一种新的可变载频（条纹频率可调）的径向剪切干涉仪。该干涉仪主体由两块雅敏干涉平板、两对可旋转双光楔、两个可变比例的扩束镜组成；双光楔用于调节条纹周期，以获取最佳干涉图；两扩束镜的扩束比例可变，以调节最佳剪切量。两块平板加工误差一致，同时所有光楔来源于同一楔板，参数一致，两扩束镜的性能参数也完全相同，光路对称，严格等光程。提出的干涉仪可一次性完成非球面模具的测量；并根据被测面形情况进行条纹周期和剪切量的调节，获得了最佳条纹图。最后，对球面/非球面模具表面进行了测试。结果显示：通过调节双光楔和扩束比，此干涉仪可获得较好的条纹图，为多种非球面模具的进一步高效检测提供了新的思路。