激光陀螺光路变动分析及其对陀螺性能的影响

分析了腔平移镜这一引起激光陀螺光路变动的主要因素,旨在揭示腔平移镜影响激光陀螺内部光路的机理及其影响的大小。通过分析计算得出,腔平移镜歪扭引起激光陀螺内部光束通过光栏中心位置时产生的横向位移相当于光栏半径10%~20%的变化。通过搭建光路测试系统,验证了腔平移镜歪扭的变化主要造成了激光陀螺内部光束通过光栏中心位置的变化这一结论,分析了这一变化对激光陀螺性能影响的机理。     

基于PSD的微小位移测量研究

介绍了一种新型的纳米精度光学测量系统.该系统结合半导体位置探测器件(PositionSensitive Detection,PSD)及现代计算机技术,利用激光在两平面镜间多次反射,将测量镜的纳米量级被测物位移放大到PSD能够分辨出的微米量级的位移,从而利用相对低精度的手段完成高精度的测量.实验表明此系统能够对微小位移进行放大测量,测量精度达到11.5 nm.     

微型光谱仪结构参量的可调节冗余量研究

为了探究Czerny-Turner(CT)光路结构在装配过程中各个光学元件偏离理论光学设计参量时对光谱仪光学性能的影响,建立数学物理模型还原Zemax设计的非对称CT结构光路,在不影响光谱仪分辨率的条件下,调节CT结构中的各元件,得到各元件的可调节冗余量.结果表明,准直镜和衍射光栅偏转角度可调节范围分别为±0.19°和±0.17°;聚光镜和CCD的位置可调节范围都为±0.12mm.以上四个变量的可调节冗余量最小,对光谱仪最终分辨率影响较大.该研究对CT结构中各光学元件机械调节机构的设计具有参考意义.     

利用光杠杆测量流体压强及流速的微小变化

将流体压强及流速的微小变化转化为U形管或测压管液面高度的变化.又利用光杠杆放大原理,将液面高度难以判断的微小位移放大成激光光点明显的位移,从而实现了液体压强微小变化的测量.实验结果表明,光点的位移与压强变化线性度高,测量灵敏、结果可靠.     

基于自准直原理的紧凑型激光位移传感器光学系统设计

分析传统直射式和斜射式激光位移传感器的特性,结合两者的优势,设计了一种基于自准直原理的紧凑型激光位移传感器。在结构上,利用直线结构取代了大三角的光路布局,形成自准直式光路结构。引入分光比50%的分束镜,与光轴成45°角放置,将会聚透镜和成像透镜合为一枚,并使聚光镜、分束镜和光电探测器共轴,简化了系统结构,减小了仪器体积,同时,推导了符合自准直原理的Scheimpflug条件。利用光学设计软件Zemax对光学系统进行仿真,系统采用单透镜的结构形式,前表面为Forbes非球面,入瞳直径像质量和系统尺寸均达到最佳。该系统具有测量范围大、分辨力高、结构尺寸小、光能损失小等特点,通过实验与Keyence激光位移传感器比较,该系统能够保证测头分辨力1μm、综合检测精度±2μm的技术指标。     

基于光电双测头技术的液位监测系统设计

阐述了一种利用光电检测方法对透明容器内的液位进行监控的系统设计。系统利用激光平行于液面射入后被凹液面反射的光学现象实现了非接触式测量。实验证明该系统抗干扰能力强,具有良好的稳定性,监测误差仅为0．30%,能广泛应用于医疗、工业、家电等领域。     

干涉条纹密度的计算及其应用研究

采用光的干涉方法检测曲面光学表面的加工质量时,都需要事先设计好系统光路的最佳检测技术参数,并能对检测的难度进行有效的评估,从而确保检测的精度。该研究采用了一种计算干涉条纹密度的新方法,对任意光学曲面检测的难度进行评估,并用于确定球面参考光点光源的最佳位置。以非球面为例,计算了非球面的最接近球面的半径和最大非球面度以及非球面检测时球面参考光点光源的最佳位置,说明了计算干涉条纹密度方法在确定干涉检测系统光路调试最佳条件的优越性,可为各种干涉检测系统的设计以及优化调试过程提供理论依据和分析指导。     

高精度激光倾角测量技术研究

本文提出了一种高精度激光电子二维倾角测量技术,该技术利用液体表面多次光反射,将倾角变化转换成激光光斑的位移,并通过多次光学反射实现光学放大,从而实现了倾角和倾角变化的高精度测量.利用本技术实现的倾角测量仪器具有测量精度高、体积小等优点,经过标定试验系统测量精度达到2.5″.高精度激光电子二维倾角测量系统可广泛应用于水坝安全监测工程、各种建筑和检测领域.     

四程放大系统腔镜位置变形镜的面形解

 根据在大型高功率固体激光装置中自适应光学技术的应用研究，将变形镜置于腔镜位置，有利于提高自适应光学系统的校正动态范围。基于变口径90°翻转四程放大系统的光路特点，从理论上比较完整地解决了四程放大系统腔镜位置变形镜面形解的存在性问题，并对口径变换比值(缩束比)与面形求解之间的关系问题进行了数值模拟，结果表明:只要缩束比小于1，对应系统连续波前畸变的腔镜位置面形解是存在的，且随着缩束比减小，解的收敛性增强。     

基于激光三角法的脉搏波测量系统研究

“切脉”是中医常用的诊疗手段,依赖于医生的定性感知和经验分析。基于激光三角法的脉博波测量系统,可以辅助中医定量记录分析脉搏波信号。系统中线性激光投射至手腕脉搏检测位置,CMOS图像传感器记录过程,HALCON和MATLAB软件分析处理图像,通过光学质心和快速傅里叶变换来计算拍摄图像的质心变化,拟合脉冲波动波形。该测量系统结合了光学测量和计算机自动化的优点,具有非接触式、易操作、快速检测等优点。实验验证了方法的可行性。     

基于几何莫尔效应的剪应力传感器设计研究

结合风洞检测剪应力对高灵敏度和高响应频率传感器的设计要求,提出了基于莫尔效应转化敏感元件位移的微型光栅式剪应力测量方式.针对传感器的机械灵敏度、线性度和谐振频率的应用要求对敏感元件进行设计,并在敏感元件结构设计尺寸的基础上对莫尔条纹灵敏度及其相位变化进行分析计算,完成微型光栅式剪应力传感器的结构设计流程.     

Measuring the complete force field of an optical trap

The use of optical traps to measure or apply forces on the molecular level requires a precise knowledge of the trapping force field. Close to the trap center, this field is typically approximated as linear in the displacement of the trapped microsphere. However, applications demanding high forces at low laser intensities can probe the light-microsphere interaction beyond the linear regime. Here, we measured the full nonlinear force and displacement response of an optical trap in two dimensions using a dual-beam optical trap setup with back-focal-plane photodetection. We observed a substantial stiffening of the trap beyond the linear regime that depends on microsphere size, in agreement with Mie theory calculations. Surprisingly, we found that the linear detection range for forces exceeds the one for displacement by far. Our approach allows for a complete calibration of an optical trap.     

干涉条纹计数法光纤Fabry-Perot腔液位传感器

提出一种抗光源波动和外界干扰的条纹计数法光纤Fabry-Perot腔干涉型液位传感器.为适应这种条纹计数法对应变大挠度的要求,采用波纹管作应力弹性元件;对干涉条纹走向(或液位升降判向),分别提出实用的硬件设计方案和计算机软件处理办法;给出一种腔长温度补偿设计;实际制作了双光路光纤Fabry-Perot腔液位传感器,进行了实际气压模拟试验和实际水位测量试验,取得了良好结果.     

基于连通器原理的小探头光纤液位传感器研究

介绍了以汞包层光波导为传感探头的光纤液位传感器的原理及信号处理,其工作原理是利用连通器将液位的变化转变为汞包层光波导包层长度的变化。理论分析和实验表明,当光波导直径和光波长一定时,光功率衰减随汞包层光波导长度增加作线性增加。通过对汞包层光波导引起光功率衰减的检测,探头结构的优化设计以及探测器件的选型,可以获得实时性很强的高精度液位测量。实验测得10m液位的最大测量误差为5．2mm,理论分析的相对测量精度可达0．02％。该液位传感器的研制对于油库等易燃、易爆环境中的液位测量具有重要意义。     

Linear spatial displacement of spectral components in the light reflected from multilayer structures

Based on an analogy with thin-film dispersion compensators used in femtosecond lasers, a linear dependence of the spatial displacement of reflected beams with different wavelengths is obtained at the output surface of a one-dimensional metal-dielectric multilayer at oblique incidence of a wave packet with λ₀ = 1.5 μm with a view to application in compact demultiplexers of optical communication systems.     

大视场激光接收机设计

 介绍激光指令制导和激光驾束制导的大视场激光接收机的设计原理,给出接收光场的数学模型,由斜入射平行光的衍射光场推出探测光学系统的视场角公式,根据1064nm大视场激光接收机技术要求,以聚光物镜型探测光学系统为例,探讨接收光学系统既须具备特大相对孔径,又须具备无晕接收性能的设计特点,采用窄带干涉滤光镜进行光学滤波降噪。给出一种适用于高重频(200kHz)工作的低噪声放大器的设计实例,介绍了低噪声放大电路的设计原理。测试结果表明：设计的大视场激光接收机的接收视场角≥±10°,、动态范围≥40dB,当放大器输出信号信噪比等于4时接收灵敏度Pmin=5.38×105W。     

基于敏感Fabry-Perot腔光纤角位移传感器的原理与设计

提出了一种全角度并且可以连续测量微小角位移(秒级）的新型光纤角位移传感器.利用微小光学谐振腔的基本理论,主要是基于光学法布里-珀罗(Fabry-Perot）腔的基本原理研究特定光波下光强度的变化与角位移的线性变化关系,利用光纤技术、敏感技术融合微机械技术研发而成.适合于一些特定领域中对角位移的精确测量.     

Universal optical amplification without nonlinearity

We propose and experimentally realize a new scheme for universal phase-insensitive optical amplification. The presented scheme relies only on linear optics and homodyne detection, thus circumventing the need for nonlinear interaction between a pump field and the signal field. The amplifier demonstrates near optimal quantum noise limited performance for a wide range of amplification factors.     

Design of an optical fiber sensor for linear thermal expansion measurement

Design and operation of an optical fiber device for temperature sensing and thermal expansion measurement are reported. The modulated intensity has been measured by using a pair of 450 μm core fiber, one acting as the source and the other one as receiving fiber. In this design, the light intensity modulation is based on the relative motion of the optical fibers and a reflective coated lens. By using displacement calibration data for this sensor, the linear thermal expansion of the aluminum rod is determined. This sensor shows an average sensitivity of about 11.3 mV/°C for temperature detection and 7 μm/°C for thermal expansion detection. Device resolution for a linear expansion measurement is about 3 μm for a dynamic range of 600 μm corresponding to a temperature change of 100°C. The measured linear expansion results are checked against the expected theoretical ones and an agreement within ±2 μm is noticed. The operation of this sensor was also compared with other types and some advantages are observed, which verify the capability of this design for such precise measurements.     

正交各向异性板液/固界面的声反射与声透射

采用Legendre正交多项式法,对液/固界面声波反射和透射系数进行求解。利用Legendre正交多项式对正交各向异性板中的位移解进行展开,推导出板中的应力和波动控制方程。联立液/固界面的边界条件和波动控制方程,建立线性无关方程组,用以计算液/固界面的反射和透射系数及Legendre多项式的展开系数,计算所得铝板液/固界面的反射和透射系数与传递矩阵法的计算结果吻合良好。以单向纤维增强复合材料板为例,在不同的方位角下,分析了反射和透射系数随斜入射角度、入射波频率的变化关系,以及板中声场的位移分布。所取Legendre正交多项式截止阶数越大,可用来计算的频厚积范围越大。研究拓展了Legendre正交多项式法的适用范围,为材料力学性能的声学测量提供了理论基础。