变间隙法布里-珀罗干涉光谱仪光谱复原方法分析

变间隙法布里-珀罗（F-P）干涉成像光谱仪以体积小、高光通量、高空间分辨率和高光谱分辨率等众多优势特性,成为研究热点。由于其干涉条纹不是正弦条纹,因而无法直接用快速傅里叶变换获得精确光谱曲线。详细推导了变间隙法布里-珀罗（F-P）干涉仪多光束干涉原理和其光谱复原原理,给出干涉条纹与光谱曲线的数学关系;从理论上证明了光谱复原方法的可行性和必要条件,并给出理论误差。此外,还基于MATLAB进行了仿真和光谱成像系统实物实验,验证了理论分析的正确性。为F-P干涉成像光谱仪的工程化提供了理论依据,并对设计中的参数确定具有指导意义。     

基于法布里-珀罗干涉仪的激光谱线特性测量研究

法布里-珀罗干涉仪(简称F-P干涉仪)是具有高光谱分辨能力的光学测量仪器.通过分析F-P干涉仪的干涉图样,能够测量光谱学中的超精细结构,因此在精密光学测量领域中具有重要的研究意义.本文从F-P干涉仪的基本特性出发,介绍干涉仪的基本结构,着重阐述了基于F-P干涉仪的激光谱线特性测量方法,以期为教学与科研提供参考.     

大孔径静态干涉光谱成像系统(LASIS)中实体Mach-Zehnder干涉仪加工误差容限分析

简要叙述了LASIS光谱成像系统的原理和仪器构成,针对LASIS光谱成像仪像方视场与干涉数据单边过零采样的要求,通过对实体Mach-Zehnder横向剪切干涉仪结构和光路进行分析,并对比Sagnac型横向剪切干涉仪的结构,研究了该干涉仪的附加光程差与加工误差的关系,给出了附加光程差公式和误差容限公式,对探测器阵面上光程差变化的非线性效应影响进行了分析和仿真。结果表明,相比Sagnac型横向剪切干涉仪,因实体Mach-Zehnder干涉仪的非共光路特点产生的附加光程差会导致探测器上的零光程位置的偏移,为保证过零单边采样的要求,需对干涉仪的尺寸误差进行严格约束,其中组成干涉仪的两块非对称五角棱镜非对称量的匹配误差小于0.02 mm;而探测器上光程差变化的非线性效应引起的光谱复原误差小于0.2%,基本可以忽略不计。     

高斯光束斜入射非平行法布里-珀罗干涉仪后的透射光强分布

基于多光束干涉原理,推导出了高斯光束斜入射非平行法布里-珀罗干涉仪射后的透射光强表达式,在此基础上,着重研究了高斯光束入射角的大小以及法布里-珀罗干涉仪两反射端面的不平行度对透射光强分布的影响。研究结果表明：入射角的大小和干涉仪的不平行度对透射光的强度分布、峰值强度的大小和峰值强度的位置有很大的影响;在入射高斯光束具有较小的腰斑半径或法布里-珀罗干涉仪的两端面的反射率较大时,必须考虑高斯光束沿传输轴线的衍射效应;楔角为负的非平行法布里珀罗出射光斑的光强在“反跳”处急剧下降到零,可利用这一特点对距离进行精确测量。     

两种干涉成像光谱技术方案的比较

对"大孔径静态干涉成像光谱技术"方案与以色列学者提出的"两维景物光谱同时测量方法"进行了分析和比较,讨论了这2种干涉成像光谱技术方案中干涉仪与成像光学系统两方面的差异,通过计算机模拟,给出了"两维景物光谱同时测量方法"的光程差非线性变化。受"两维景物光谱同时测量方法"的启发,提出基于横向剪切干涉仪的时间调制型干涉成像光谱技术方案,研究了匀速转动横向剪切干涉仪时,各不同视场像元处光程差的变化规律。     

转镜式高灵敏度干涉光谱成像仪ROSI的设计方法

介绍了转镜式高灵敏度干涉光谱成像仪(ROSI)的设计计算方法,包括系统基本参量计算、光程差与干涉仪结构参量和转镜角度的关系以及转镜转速与探测器采样帧频的关系等,同时,分析了像点位移与探测器采样之间的失配问题,并给出了最小采样频率公式.     

基于空芯光纤的集成式全光纤法-珀干涉式湿度传感器

利用空芯光纤制作的法布里-珀罗(Fabry-Pérot,F-P)干涉传感器具有较低的温度敏感性,由于传感器干涉光光程差与空芯光纤制作的F-P干涉腔腔内介质折射率有直接依赖关系,提出在空芯F-P干涉传感器的腔内填充一种具有较强吸水性的新型纳米复合水凝胶从而构成一种温度低敏感的微型湿度计。当水凝胶通过吸收空气中的水蒸汽而使自身的折射率发生变化时,就会导致F-P腔干涉光的光程差发生变化,通过检测这一光程差的变化就可实现对环境相对湿度的测量。实验结果表明,填充自制的水凝胶,在38%～98%的相对湿度变化范围内,传感器的光程差从608.7180μm变化到了604.0488μm,在水凝胶折射率变化范围内,其光程差与相对湿度的灵敏度为77.82nm/(1%)。     

基于法布里-珀罗干涉仪的窄带宽激光脉冲产生及其应用

法布里-珀罗干涉仪的原理是多光束干涉,由于干涉仪内部是谐振腔结构(F-P腔),当入射光的频率满足共振条件时,透射频谱会出现很高的峰值.利用这一特性对输入的光信号进行频率筛选,从而得到理想的窄带宽脉冲信号.本文简要介绍了F-P腔的基本原理,以及利用F-P干涉仪产生窄带宽脉冲的过程,并介绍了该窄带宽脉冲在飞秒受激拉曼光谱、和频振动光谱和二维红外光谱等前沿光谱技术中的应用.     

偏振干涉成像光谱仪中Wollaston棱镜光程差及条纹定位面的精确计算与分析

论述了基于单Wollaston棱镜的偏振干涉成像光谱仪的基本原理;采用波法线追迹方法,对光以4种不同入射方式经过偏振干涉成像光谱仪中单Wollaston棱镜的精确光程差、分束角及干涉条纹定位面进行了计算,并给出它们与棱镜楔角、入射角及入射位置之间的理论公式;采用计算机模拟对光程差、分束角及条纹定位面的精确值和近似值进行分析与比较,结果表明精确值和近似值之间存在较大差异;当棱镜楔角、入射角及入射位置增大时,精确值和近似值之间的偏离量随之增大;利用得到的精确值分析了条纹定位面的偏离量及其对傅里叶透镜成像的影响 关键词： 偏振干涉成像光谱仪 Wollaston棱镜 光程差 条纹定位面     

用于光纤法布里-珀罗传感器腔长互相关解调的光楔的数学模型研究

光楔是实现光纤法布里-珀罗(F-P)传感器互相关解调的重要光学元件.根据互相关解调的原理分析了造成光楔和光纤F-P传感器F-P腔的反射光相位不同的因素,进而建立了光楔的干涉光强的数学模型,在此基础上对具有不同反射率的光楔的干涉光强进行了数值仿真,和相同反射率的光纤F-P传感器F-P腔的干涉光强对比之后建立了光楔的简化数...     

静态傅里叶变换干涉具在大视场探测中的应用

为了同时满足大视场、实时探测的要求,采用静态傅里叶变换干涉具,通过计算在-45°～45°范围内关于入射角度与相干条纹的光程差函数,仿真结果显示,倾斜入射干涉具会造成干涉条纹变密、暗带增宽、探测波长偏移等结果.提出了一种采用双干涉具循环运算的激光方向、波长的求解方法.采用折射率为1.46、斜楔角度1°的静态傅里叶变换干涉具做实验.由试验结果可知,每改变1°所对应的波长变化为2 nm,应用该方法可以在较大视场范围内求解激光方向及波长信息.     

基于多级微镜的傅里叶变换成像光谱仪干涉成像系统分析与设计

为了实现傅里叶变换成像光谱仪的静态化与高通量,提出一种基于多级微镜的时空混合调制成像光谱仪,其干涉系统是利用一个多级微镜代替迈克尔逊干涉仪中的平面镜,其显著特点是无运动部件和限制系统光通量的狭缝,可同时获得目标的干涉图与二维空间图像。该成像光谱仪利用前置成像系统将目标成像到干涉系统的平面镜与多级微镜上,利用多级微镜的结构特点对两成像光束的光程差进行调制,然后通过后置成像系统获得不同干涉级次的目标图像。首先通过对该成像光谱仪干涉系统光谱信噪比的分析,明确了光谱信噪比与图像信噪比之间的关系,确定了多级微镜的特征参数。为了确保每个阶梯面所对应光程差的恒定性,通过对前置成像系统成像过程的分析,确定了前置成像系统像方远心的光路结构;通过对系统视场角与光程差之间关系的分析和计算,确定了前置成像系统的设计指标并完成了光学设计。为了保证后置成像系统不引入额外的光程差,通过对后置成像系统成像特点的分析,确定了后置成像系统双远心的光路结构;通过对系统入射孔径角与阶梯级数之间关系的分析和计算,最终设计出满足系统性能需求的后置成像系统。通过对各单元系统的理论分析与光学设计,为静态化与高通量成像光谱仪的发展提供了一种新的思路。     

基于莫尔干涉的激光中心波长精确检测的研究

为了提高激光中心波长检测的精确度,提出了基于正交干涉原理的静态干涉系统,由两个相互垂直的棱镜组成产生二维平面上的光程差分布,以面阵CCD取代线阵CCD,对平面上的正交干涉条纹数据进行采集.在计算分析莫尔干涉仪的光程差分布的基础上,计算干涉图像中干涉条纹的拼接及傅氏变换等,最终得到光谱分辨率.由MATLAB仿真软件分析结果可知,静态莫尔干涉系统可以产生的光程差最大为234μm,比等尺寸的傅里叶干涉体高约一个数量级.实验标定用的光谱仪选用LAB SPAKR 750A型光谱仪,针对中心波长为635 nm的半导体激光器进行测量,结果显示中心波长位置基本一致,但在中心波长附近的光谱细节上莫尔干涉优于传统干涉具.     

Parallel Plate Interferometer with a Reflecting Mirror for Measuring Angular Displacement

A parallel plate interferometer with a reflecting mirror for measuring angular displacement is proposed. A deflection angle of a beam caused by an angular displacement is amplified by use of a reflecting mirror to increase the optical path difference (OPD) in the plane-parallel plate, which provides high sensitivity of the phase measurement. Detection of light transmitted through the plane-parallel plate with a position sensitive detector (PSD) enables high accurate measurement of the initial angle of incidence to the plane-parallel plate with insensitivity to stray light. The improved parallel plate interferometer achieves a measurement repeatability of 10⁻⁸ rad.     

基于洛伦兹线型极光的上层大气风场探测模式研究

从洛伦兹线型极光的干涉强度、调制度与光程差的理论公式出发,用λ/4的步进光程差即“四强度法”获得一个波长范围内的4个干涉强度值,以实现基于洛伦兹线型极光的上层大气的风速、温度、压强等物理量的探测。提出用改形萨尼亚克成像干涉仪替代迈克耳孙干涉仪实现上层大气风场,给出了基准光程差的公式,并用四面角锥棱镜镀膜技术获得4个干涉强度值来同时探测上层大气风场的模式。最后在实验室将Kr灯557.0nm调整光束到一定宽度,对称地从顶角为60°的两面镀膜角锥棱镜的顶点入射,用768pixel×576pixel的CCD照相机接收到两个光斑的成像,这两个光斑的再复制就得到镀膜四面角锥棱镜在一个周期内的4个干涉强度光斑,从而获得上层大气风场。     

Optical path difference evaluation of the polarization interference imaging spectrometer

The optical path difference (OPD) of the static polarization interference imaging spectrometer and wide-field-of-view polarization interference imaging spectrometer are calculated and analyzed, simultaneously. The analysis results show that the actual total OPD contains two parts, the Savart polariscope introduces the first part, and the second part is introduced when imaging lens reunites two beams in its focal plane. Since the first part OPD accounts for about half of the actual total OPD, it has influences on the resulting spectrum and thus cannot be neglected. The influences of the uniaxial crystal dispersion on the OPD and resulting spectrum are analyzed, and the results show that the OPD decreased with the wavelength, the spectral resolution increased with the wavelength. There are no fixed spectral resolution over the entire detection spectral region, and the spectral resolution would become worse with the increase of the wavelength.     

新型干涉高光谱成像系统的光束剪切特性分析

提出了一种基于新型双折射横向剪切分束器的高光谱成像方法,采用的横向剪切分束器主要由Wollaston棱镜和角锥反射体组成.在分析双折射分束器的偏光结构和分光机理的基础上,利用光线追迹方法分析了光束在Wollaston棱镜中的传播特性,通过计算光束在双折射分束器中的传播方向及出射位置,推导出调制光程差的理论表达公式.根据理论推导结果,分别仿真分析了系统在不同扫描模式下光程差与入射光视场角以及角锥顶点偏移量的调制关系.基于理论分析结果搭建了实验装置,对光程差分析结果进行验证,实验结果与理论分析结果匹配较好.所提方法可以提高剪切光束的平行性,保证干涉条纹的高调制度,降低了复原光谱准确度对光学装调精度和元件加工精度的依赖性,具有结构稳定、复杂度低的显著特点.     

等光程干涉仪中参考镜楔角最优补偿方式研究北大核心CSCD

在测量多表面平行样品时,多面干涉会影响测量结果。为了能改善多面干涉问题,介绍了等光程干涉仪,并研究了参考镜楔角的最佳补偿方式。在等光程干涉仪中,由于参考镜和分光镜的楔角和倾角的存在,测量结果中会带有回程误差。根据参考镜楔角的不同情况采用了不同的补偿,理论分析并确定了各种补偿的放置方式和补偿量,同时研究了倾角和楔角的大小对于要被遮拦光束高度和像方数值孔径NA的影响。再利用Zemax进行不同补偿方式下的干涉仪仿真,并根据仿真得到的干涉图PV值分析回程误差的大小。分析表明:选用最佳补偿方式,参考镜楔角为1′,回程误差优于0.003个波长。     

Optimum entangled photon generated by micro-ring resonators for new-generation interferometry use

We first propose a concept of a new interferometric technique, where the ultra-narrow spectral width of light pulse generated by using the micro-ring resonators can be used to perform the ultra-high-resolution interferometer. Firstly, the SHG using micro-ring resonators is analyzed and described, Secondly, the increasing in optical path difference (OPD) depends on the full-width at half-maximum (FWHM) width of the generated pulse is discussed. Finally, the optimum entangled photon visibility can be formed the quantum interferometer where the measurement resolution of 10⁻⁵-10⁻⁷ in term of birefringence is achieved. The use of such systems for quantum interferometer, high-resolution interferometer and surface characterization are described.     

A spectral interferometric method to measure thickness with large range

We present a spectral interferometric method to measure the thickness of an optical plate or a film with a single layer. The system is based on the Michelson interferometer configuration, and the spectral interference signal of a broadband light source is recorded by a spectrometer. The optical path difference (OPD) between two interfering beams can be obtained by Fourier transform from the spectral interferogram. Gaussian fitting is used to find the exact peak of fringe to enhance the precision of the measurements. When the sample is inserted into the sample beam, the film’s thickness can be calculated by comparing the change of OPD, provided that the sample group refractive index is known. Only a single measurement is needed to determine a film’s thickness after the initial OPD of the system is calibrated. As no moving parts are required, the system has good stability. In particular, a large range of thicknesses, from micrometers up to several millimeters, can be measured. Such a large range is valuable for optical measurements. For demonstration, we measured the thicknesses of preservative film, cover glass and carrier glass, which were 9.6 ± 0.55, 156.1 ± 0.75, 1008.44 ± 0.96 μm, respectively.