基于频分复用技术的激光反馈干涉二维动态位移测量

提出了一种基于频分复用技术的激光反馈干涉二维动态位移测量方法。激光器输出的光被分为两路,分别以±1级自准直衍射角入射至反射光栅,并沿原光路返回至腔内产生激光反馈干涉效应。在±1级衍射光路中放置电光晶体对光束相位进行高频调制,利用频分复用技术实现二维动态位移的测量。实验结果表明,所提方法能够重构出物体的二维动态位移,位移分辨率可达10 nm量级。所提方案通过在激光反馈干涉仪中引入衍射光栅,提高了激光反馈干涉测量系统的稳定性和抗环境干扰能力,同时也为使用单光源进行多维度微位移测量提供了新的思路。     

频率扫描干涉法绝对测距中运动误差的补偿研究

在频率扫描干涉法绝对距离测量过程中,目标的运动会对测量结果引入误差,经推导发现运动误差与激光扫频终点频率以及扪频过程中的光程差位移量有关.前者可直接通过高精度波长计测量,对于后者,提出了外差干涉频分复用技术,设计了一种新的频率扫描距离测量干涉仪,可同时实现目标绝对距离和光程差位移量的测量,通过剔除与扫频终点频率和光程差...     

五维自由度衍射光栅精密测量系统（英文）

为了在保证结构简单的前提下,实现衍射光栅精密测量系统的大量程、高精度、多维度测量,设计了能够同时测量位移和角度的五维自由度衍射光栅精密测量系统。基于利特罗对称式光路结构,采用高刻线密度的一维衍射光栅以及外差干涉原理实现了沿光栅矢量方向和光栅法线方向的二维位移测量;通过引入高精度的位置灵敏探测器,结合±1级衍射光与光栅之间的角度变化关系实现了对光栅俯仰、偏摆和滚转三个维度的角度误差测量。实验结果表明:该衍射光栅精密测量系统能够实现分辨力优于4 nm的二维位移测量以及分辨力优于1″的三维角度测量,其位移测量范围只受限于光栅的尺寸,量程大大增加。该衍射光栅精密测量系统在精密测量领域有重要意义。     

共轭涡旋光干涉精密位移测量方法与系统

为实现高精度大量程精密位移测量，提出了一种基于涡旋光共轭干涉的精密位移测量方法。通过建立位移过程中涡旋光共轭干涉图样的旋转角弧度与位移之间的数学关系，实现了对旋转角弧度的精确提取，得到了高精度的精密位移测量结果。基于该原理对测量方案进行了光学系统设计与仿真，研制了实验系统并进行了实验测试。当标准位移为20 nm时，实验测量结果的误差为25 pm，相对误差为0.13%，证明了所提亚纳米级精密位移测量方案的有效性。所提系统还可通过计量干涉图样旋转圈数进行大测量范围的精密位移测量。实验结果表明，所提方案可在30μm范围内实现精密位移测量。     

激光外差干涉快速超精密测量模型研究

为了精确地描述激光外差干涉在快速超精密测量中的位移测量．建立了激光外差干涉快速超精密测量模型。传统外差干涉测量模型采用舍去高阶误差的方法,便于分析与快速计算,但存快速纳米精度测量中,高阶误差已经影响到测量精度．根据多普勒频移公式,通过分析激光外差干涉的测量原理．在已有的激光干涉测量模型上增加了u^2/c的积分项．相当于将传统测量模型进行了高阶误差补偿。通过理论分析可知,当最高测量速度为1m/s,运行位移为3m时,该测量模型能够减小约18nm的测量误差,解决了传统测量模型存存的残余误差累计问题,从而为激光外差干涉在快速超精密测量领域的应用提供了一种理论依据。     

基于干涉条纹图像对比法测量微位移

研究了基于迈克尔逊干涉条纹对比法测量微位移的实验。用He-Ne激光器、反射镜和分束镜组成的干涉光路,其中一个反射镜固定在被测物体上,通过被测物体的移动带动反射镜移动使干涉光路发生变化,从而导致干涉条纹的改变。在形成干涉条纹的位置利用线阵CCD采集干涉条纹图像,用序列图像对比的方法对图像进行处理和计算,得出被测物体的微位移。实验表明利用序列图像对比的方法测量微位移,方法切实可行、测量准确度高、测量的精度能够达到微米量级。     

基于BSO晶体的振动测量系统

利用光折变晶体材料,可实现宽带、微小振动测量。测量系统采用零差干涉结构,使用硅酸铋(BSO)晶体记录信号光与参考光干涉所形成的动态全息,并实时衍射,再由光电探测器探测从BSO晶体出射的透射信号光与衍射参考光所形成的干涉信号,从而实现对振动的测量。通过对BSO晶体中全息记录条件,包括两光束夹角、光强比,与衍射效率关系的研究,确定了最佳记录条件。在参考光路中利用1/4波片改变光束偏振态,使干涉系统在BSO晶体不加外电场情况下,具有较高测量灵敏度。以一定频率驱动的压电陶瓷为被测物体,在0.5～90kHz的频率范围内所测量到的振动频率与预先加载的频率一致。     

基于相位凝固技术的激光反馈干涉术

针对激光反馈干涉术,提出基于相位凝固技术的调制解调方法,用以提高位移测量的分辨率,并设计了利用相位调制器进行调制的位移测量系统.利用调制器进行外腔相位调制,采集调制相位相对固定的干涉光信号,通过解调重构得到被测的位移信息.进行了信号调制、采样、重构技术的研究以及误差分析,并通过仿真验证了方法的可行性.结果表明,采用5点相位凝固采样技术,测量准确度可以达到λ/20.此方法可提高激光反馈干涉术的测量分辨率,实现信号实时采集处理,可用于位移的实时测量.     

基于二维光栅分光的同步移相干涉测量技术

为了干涉测量的抗振目的,提出了一种新的同步移相干涉测量方案并搭建了实验装置。整个测量系统在迈克耳孙偏振移相干涉仪的基础上,利用一个正交的二维光栅产生对称分光,选取对于理想光栅衍射效率一致的(±1,±1)级衍射光作为测量分光路,使之分别通过偏振方向依次相差45°的一个偏振片组,从而分别形成0°、90°、180°和270°相移的四幅移相干涉图,按照传统的四步移相算法,对被测波面进行了复原。分析了光强畸变和移相误差对系统的测量误差的影响。利用该系统测量一球面系统,结果与在ZYGO干涉仪上相比较,球面系统的均方根误差相差0.012λ,峰谷值相差0.051λ。     

基于双频激光干涉相位检测的高精度波片测量

波片精度对偏振光学系统性能有着重要的影响,故需要对其相位延迟量和快轴方位角进行高精度测量。提出了一种新型基于双频激光干涉相位检测的高精度波片测量方法,采用双频激光外差干涉光路,利用一个可旋转半波片和一个角锥反射棱镜测量待测波片,可实现任意波片的相位延迟量和快轴方位角的高精度同时测量。所提方法不受波片、偏振片等双折射器件的方位角精度的影响,从原理上避免了该类系统误差。所设计的系统具有共光路结构,测量稳定性高,信号处理采用相位检测方式相对于一般的光强检测方式测量精度更高。此外,所设计的测量系统中元件很少,结构简单,测量过程快捷。误差分析表明,在现有实验条件下,测量系统的波片相位延迟量的测量不确定度约为3.9′,快轴方位角的测量不确定度约为5′′。实验比对结果表明,所提方法的测量结果与其他方法测量结果的一致性很好。重复性测量实验表明,测量结果的标准偏差约为2′。     

变线距光栅线密度的干涉测量

变线距光栅在同步辐射装置、激光核聚变装置上有着广阔的应用前景，它的制作和检测方法尚未成熟。用干涉法测量变线距光栅的线密度，给出了测量原理、实验中的光路、数据处理的方法、测量结果。在待测光栅表面，衍射光干涉条纹的数量和密度是入射光干涉条纹和倍增后光栅的刻线之差。采用共光路的方案，使光路具有很强的抗干扰能力。用中值滤波消除干涉图像中的干扰。针对不同的干涉条纹，讨论和比较了两种测量方法，提出相对密度不变性。证明了干涉法完全可以用于变线距光栅的线密度测量，并能达到一定的精度，初步解决了检测问题，认为这种方法也可以用于变线密度光栅的加工中。     

万焦耳级激光装置的焦斑诊断

为了评估万焦耳级激光装置不同打靶透镜构型的远场光束质量,采用弱光取样、分束放大成像的探测方法,在横向放大系数相同而光强衰减系数不同的条件下,通过两台16位科学CCD在主瓣光路和旁瓣光路对3ω激光束的焦斑进行采集;基于纹影测量激光焦斑数学模型,获得了动态范围为1 151.7:1的远场焦斑重构图像;并对CCD动态范围、分束光路相对放大系数、系统噪声等因素对焦斑诊断的影响进行了分析.实验表明,该方法能够实现高动态范围远场焦斑的精确测量,对于重构图像的拼接边缘误差小于1 pixel,满足打靶要求.     

基于可变相位延迟的激光干涉式亚纳米级微位移测量系统

激光光源具有单色性好、亮度高、方向性强和相干性强等优势,所以基于干涉原理对激光光谱进行积分可以应用于微位移测量领域。在重力方法探测过程中,因地质结构不同引起万有引力差异而造成的探测质量块位移十分微小,通常为纳米级,所以研制高精度纳米级微位移测量系统尤为重要。然而传统电容位移测量法在防止电磁干扰等方面存在不足。相比较而言,光学干涉法具备抗电磁干扰、环境适应性强等优点,且精度不亚于电容法。传统干涉系统光路复杂、难于集成,对重力仪的小型化与集成化不利。所以研制一种结构紧凑的光学干涉系统用于实现纳米级微位移测量成为亟需。基于可变相位延迟的激光干涉式方法,能够实现亚纳米级微位移测量,较传统干涉系统具备结构紧凑、易于集成的优势。本微位移测量系统由半导体激光器、起偏器、检偏器、楔形双折射晶体组和光谱仪组成。研究从以下方面展开：首先是确定测量系统方案,提出了偏振光干涉双路结构,以楔形双折射晶体组作为核心器件,将晶体间相对位移转化为o光和e光的差别化相位延迟,并对激光光谱进行积分,进而将位移变化转变为合成光强的变化;其次是建立测量位移物理模型,根据设计的双折射晶体组几何结构、位移过程与光路,确定光强变化与待测位移量之间的关系;第三是系统参数优化,为了使系统的测量误差和量程满足实际需求,利用已建立的物理模型,将测量误差和量程分别与晶体切割角度α、激光器激射波长λ建立函数关系。根据应用需求,确定适当的误差和量程取值范围,进而得到角度α和波长λ取值范围;最后加工晶体、搭建系统并进行测试。具体即以α和λ为调控参量,联合考虑“近似线性化”和“激光器光强波动误差”对系统量程进行优化仿真。同样,联合考虑“激光器光强波动误差”和“激光器波长波动误差”,并利用“系统最大位移量”（与量程有关）对系统测量误差进行优化仿真。最终确定钒酸钇晶体切割角度α为20°,激光器激射波长λ为635 nm。实验中,以10 nm为间隔利用压电陶瓷设置位移量进行位移测试,包括：系统的线性标定、系统量程和测量误差测试。另外,在保持待测位置不变的条件下,利用本位移测量系统进行了2 h不间断测量,并通过阿伦方差确定了系统的位移探测下限。实验结果表明,位移量程范围大于150 nm,位移测量误差约0.5 nm,位移探测下限为0.32 nm@23 s,探测线性度判定系数(R2)为0.999 85。综上所述,以自制楔形双折射晶体组作为核心器件的可变相位延迟激光干涉式微位移测量系统,可作为重力探测中的质量块位移测量单元。与电容法相比具有更强的环境适应性;与传统干涉系统相比具有结构简易、光路紧凑等优点,便于重力仪的小型化与集成化。     

衍射光学元件衍射效率的测量

根据衍射光学元件衍射效率的测量原理,建立衍射光学元件衍射效率测量的双光路装置,简要介绍了双光路测量的优点。针对衍射光学元件衍射效率的测量装置,讨论了影响衍射效率测量精度的因素,合理地选择测量装置中的针孔光阑,即可以让主衍射级次的光全部通过被探测器接收,又可以滤掉次级衍射光,保证测量结果的准确度。针对所设计研制的一个折衍射混合成像光学系统,测量了可见光波段3个激光波长的衍射效率,并对测量结果进行了模拟和分析。在473～632.8nm波段范围内任意一个波长处,衍射效率的测量结果同理论值的偏差均小于5.0%。实验证明,双光路测量装置可以用于测量衍射光学元件的衍射效率。     

基于激光外差干涉术的薄膜厚度测量方法

针对光学薄膜厚度测量困难问题，提出了一种基于激光外差干涉术的薄膜厚度测量方法。采用经典迈克尔逊干涉光路，利用外差干涉原理将薄膜厚度差转换为光程差，以精密位移平台为扫描机构实现薄膜厚度的逐行扫描测量。测量系统在恒温实验条件下20 min内的漂移不超过8 nm，测量结果平均差小于1 nm，通过与椭圆偏振仪的测量结果比较，测量差值为12.97 nm，表明了该方法的可行性。     

激光干涉数字化角度计量系统分析

通过对数字干涉测角系统的组成、原理、误差、精度等方面的阐述与分析介绍了一种新型的精密角度测量系统。该系统是基于激光干涉技术的一种角度测量系统 ,系统以激光作为干涉光源 ,迈克耳逊干涉仪作为角度量测量的核心装置 ,通过机械装置将角度 (角位移 )量转换为迈克耳逊干涉仪干涉光路中可反映光程差变化的线位移量 ,进而反映为干涉条纹的变化 ,最后通过有关电路对干涉条纹进行的一系列处理 ,实现了对大转角的精密测量。还就上述有关问题用计算机模拟的方法作了定量分析     

二维光栅频谱分析及在精密测量中的应用

根据傅里叶光学的相关理论对二维衍射光栅的频谱特性进行了分析,并对分析结果进行了模拟和实验验证；基于衍射光栅应用于微位移的理论,提出利用二维衍射光栅作为测量的基准元件,组成单个光源和单二维衍射光栅的二维平面微位移精密测量系统,并根据实验测量结果验证了这是一种具有纳米准确度的可行测量方法.     

一种新型多波长绝对距离干涉测量系统的研究

介绍了一种新型多波长绝对距离干涉测量系统。系统采用633nm的双纵模He-Ne激光器和629nm的He-Ne激光器,组成三级合成波长链对较大距离进行精密测量,并作了误差分析。系统采用高稳定度的声光晶体对各波长分别进行偏频,再用外差探测法测量出光束通过参考光路和测量光路后的位相差。简要介绍了629nm的He-Ne激光器的设计方案。     

双功能数字散斑干涉位移及空间梯度同时测量

为了满足无损检测中复合材料在复杂载荷下多参数变量评估的需求,提出了一种基于光路复用的双功能数字散斑干涉系统,能够同时实现数字散斑干涉和数字剪切散斑干涉测量功能.通过控制其中一个反射镜-波片组合,当该组合离位时,构成数字散斑干涉测量光路,实现离面位移测量;当该组合在位时,构成数字剪切散斑干涉测量光路,实现离面位移空间梯度的测量.测量过程中只需简单切换该组合的位置就可以实现单次加载下被测物体表面离面位移及其空间梯度的同时测量.该系统光路结构简单、切换效率高,能够同时获得高质量的位移及空间梯度测量结果.实验证明,双功能数字散斑干涉系统既具备高抗干扰能力,又具备高灵敏度测试能力,适合复合材料无损检测现场使用.     

激光干涉条纹特征提取及定中测量技术研究

针对不透明非球面壳体翻转法测量厚度时,被测件翻转前后需要严格控制定中精度的问题,提出一种基于激光干涉的非接触定中测量技术.配合高精度中空气浮转台、调心调平机构,设计并搭建了一套双向激光干涉定中装置,分别采集翻转前后内外表面不同运动姿态的干涉图,并实时分析其动态特征.基于现代光电探测技术,提出对激光干涉条纹进行实时特征提...