基于非扫描式干涉仪的光谱探测研究

探测视场的大小是激光预警性能好坏的一个重要指标。在采用非扫描式傅里叶变换干涉仪探测激光光谱的实验基础上,计算了在60°视场范围内激光以任意角度入射时关于入射角度与相干位置的光程差函数,推导了干涉条纹间距与入射角度及波长的方程组,提出了采用两个干涉仪在垂直角度下运算求解的方法。经仿真计算可知,随入射角度的变化而造成干涉条纹变密、亮带变细和波长偏移等结果。实验证明,干涉条纹计算和仿真结果与实验相符,在较宽的视场范围内可以有效探测激光光谱信息,求解激光入射方向的最高精度可达1°。     

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.     

基于镀膜四面角锥棱镜技术的上层大气风场探测研究

阐述了“镀膜四面角锥棱镜（coating pyramid prism, CPP）”技术探测上层大气风场的原理,提出可以在四面角锥棱镜的4个面上分别按λ/4（λ波长）的步进光程差递增镀增透膜,同时获得一个干涉条纹中的4个强度值,实现上层大气风场的探测模式.对该模式下的相关参数进行了理论计算并得出结论：四面角锥棱镜的顶角必须大于24°、宽度为8mm的对称光束入射到CPP顶点能满足LF7玻璃上镀MgF₂增透膜以实现大气风场探测的要 求.按9°×9°干涉仪视场和CCD4.5°×4.5°视场设计了干涉仪前后的光路,用CCD照相机并调 节定标光源Kr灯557.0nm到所需光束宽度进行了模拟实验,分别得到顶角为60°和９０°的 两面镀膜棱镜在CCD上的两个干涉光斑,这两个光斑再复制即可获得CPP的4个干涉光斑,从 而证实了CPP技术探测上层大气风场的可行性.该模式发展了被动探测上层大气风场的光学遥 感探测技术. 关键词： 四面角锥棱镜 镀膜 上层大气风场 探测     

脉冲激光辐照可见光面阵CCD的入瞳衍射效应

采用波长为532nm的脉冲激光从31.5m的距离辐照可见光面阵电荷耦合器件(CCD),实验观察到了规律性圆环条纹的产生。通过增大激光束的入射角度、调节衰减倍率、重复频率和作用距离,研究了这些规律性圆环条纹的产生条件和机理。结果发现:保持激光器与CCD的作用距离31.5m不变,在激光束的入射角小于或者稍稍大于光学系统半视场角6.8°的情况下,只要光学系统入瞳处的功率密度达到10-3 W/cm2量级,就可以观察到规律性的圆环条纹。通过对探测器表面能量分布进行数学仿真,证实规律性的圆环条纹是由于光学系统入瞳的衍射效应而产生的。     

基于双边倾斜傅里叶干涉具的激光光谱探测技术研究

为了在不改变静态傅里叶干涉具尺寸的基础上提高光谱分辨率,设计了双边倾斜傅里叶干涉具及等光程条纹展宽的方法。通过计算分析双边倾斜傅里叶干涉具空间产生光程差与传统干涉具光程差的关系,得到在整个干涉具尺寸不变的条件下,光谱分辨率提高到9.1 cm-1,比同尺寸静态傅里叶干涉具提高了近8倍,并且不会因干涉条纹混叠而造成无法采集。采用BK7材料加工制成双边倾斜傅里叶干涉具,用6种不同波长的激光照射分析干涉条纹,实验结果显示干涉条纹会因反射位置增大而导致探测波长较长的激光时中心波长偏大,根据其满足线性变化的规律,拟合可知每1nm的激光波长变化造成0.021 1 nm的增大误差,经过标定后平均误差与传统干涉具接近,同时可以有效地提高静态干涉系统的光谱分辨率。     

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.     

一种提高静态傅里叶干涉仪光谱分辨率的方法

为了在不改变静态傅里叶变换干涉具尺寸的前提下提高光谱分辨率,设计了正交斜楔型静态傅里叶变换干涉具,采用两个正交的等效斜楔形成连续的光程差变化.通过推导传统干涉具与正交斜楔型干涉具的光程差函数,设计了采用正交斜楔型干涉具增加有效探测长度,从而提高光谱分辨率的方法.经仿真计算,正交斜楔型干涉具的最大光程差为0.323 4 mm,比传统干涉具的0.080 8 mm大4倍左右,即光谱分辨率提高了4倍.实验证明,由于正交斜楔的探测原理使干涉具边缘的干涉条纹产生畸变,故要对干涉条纹进行边缘切除及滤波,给出了切除大小的计算公式.采用WQF520型光谱仪进行对比实验,检测800 nm的激光,该干涉具误差小于1 nm.该方法可有效地提高静态傅里叶变换干涉具的光谱分辨率.     

非平行光干涉照明显微镜三维形貌检测研究

为实现表面微观形貌快速而较简单的检测, 一种使用非平行光干涉照明的光学显微三维形貌检测方法被提出。该方法使用空间光调制器对激光光束进行衍射, 选取光强相近的2个衍射级通过显微物镜, 双光束干涉可得到周期接近图像分辨率、相位可精确调节的照明条纹, 被测样本的三维形貌可通过拍摄4帧等相位差的条纹照明图像来计算得到。该方法不需借助干涉物镜产生条纹, 不需要轴向扫描装置记录条纹变化, 相位调节精确, 成像直观。此外, 该方法所产生干涉条纹的相位随坐标线性变化, 不需对条纹周期进行修正。因为照明条纹参数调节光路独立于显微成像光路, 系统装置具有光路简洁、易于调节的优点。为验证所提出三维检测精度, 以粗糙度100 nm的粗糙度对比模块和硅片为被测样品进行了三维轮廓重建实验, 实验结果显示, 所提出方法轴向重复性测量精度为8.6 nm(2σ)。     

一种提高静态傅里叶干涉仪光谱分辨率的方法

为了在不改变静态傅里叶变换干涉具尺寸的前提下提高光谱分辨率,设计了正交斜楔型静态傅里叶变换干涉具,采用两个正交的等效斜楔形成连续的光程差变化.通过推导传统干涉具与正交斜楔型干涉具的光程差函数,设计了采用正交斜楔型干涉具增加有效探测长度,从而提高光谱分辨率的方法.经仿真计算,正交斜楔型干涉具的最大光程差为0.323 4 mm,比传统干涉具的0.080 8 mm大4倍左右,即光谱分辨率提高了4倍.实验证明,由于正交斜楔的探测原理使干涉具边缘的干涉条纹产生畸变,故要对干涉条纹进行边缘切除及滤波,给出了切除大小的计算公式.采用WQF520型光谱仪进行对比实验,检测800 nm的激光,该干涉具误差小于1 nm.该方法可有效地提高静态傅里叶变换干涉具的光谱分辨率.     

基于狭缝扫描的表面等离子体共振成像

利用表面等离子体共振技术进行电介质样品成像研究.采用高数值孔径显微物镜作为耦合元件,632.8nm He-Ne激光会聚激发金膜产生表面等离子体共振,通过狭缝光阑限制光束入射角,对金膜上的氮化硅光栅进行成像.反射光由放置在样品像方共轭面上的CCD摄像机接收,获得样品的表面等离子体共振像.通过扫描移动狭缝,得到入射角从44°至54°的扫描样品图像,从图像中提取样品各点的表面等离子体共振曲线,由计算机重构出样品的表面等离子体共振角谱灰度图.     

基于散斑干涉光谱分布变化量探测瞬态高温的研究

为了提高瞬态高温检测的精度,利用快速傅里叶变换(FFT)对散斑干涉条纹进行光谱分析,提出了通过光谱分布的偏移及幅值变化反演温度的方法。当激光照射应变材料时,瞬态高温使材料发生形变从而使散斑干涉条纹改变,被测表面形变前后获得的干涉条纹由面阵CCD采集。由于其对应的光谱密度分布函数也会发生相应的改变,即中心波长位置偏移及振幅变化,通过其改变反演材料的瞬态温度。在分析推导了瞬态温度变化、材料应变及干涉条纹变化之间的函数关系后,仿真分析得到了瞬态温度正比于压强系数、反比于温度系数。实验采用660 nm半导体激光器,SI6600型面阵CCD探测器,从获得的光谱分布函数中提取中心波长的偏移量,经计算和标定所得数据与传统的干涉测温方法进行对比,探测精度可达0.3%。相比传统的直接检测干涉条纹的变化量,由被测面形变量推导温度的方法精度提高近3倍。     

Full field deformation measurement of centimeter sized objects using optical phase retrieval

Most papers in the field of optical phase retrieval either consider only the intensity (or amplitude) profile of the object under inspection (or scatterer location in the X-ray version), or a uniform tilt/rotation of the object beam. However, phase retrieval is able to recover the phase profile of the object (beam) as well, which theoretically makes the observable interference of phase retrieved object waves possible. In this paper we demonstrate this principle experimentally on centimeter sized deformable reflective objects (as large as 40 mm by 40 mm) and corresponding simulations are also presented. When the CCD camera is moved along the optical axis in the Fresnel region, the interference fringes of the displacement field have low contrast. On the other hand, when an imaging setup is built, and the camera moves near the image plane, high fringe contrast can be obtained. These fringes however suffer from some phase error. In our work the iterative modulus projection algorithm was used as a simply implementable phase retrieval method.     

平面反射镜表面散射光干涉

激光束照射到表面被粘污的反射镜上会产生干涉环,入射光束和反射光束在被粘污表面产生散射光干涉.随着入射角的变化,光束在反射镜玻璃片内光程改变,引起干涉环从中心冒出或缩进,干涉环级数的变化与入射角的平方成正比.     

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。     

光的干涉法测金属线胀系数

当用两块平板玻璃制作出的空气劈尖顶角发生变化时 ,应用 CCD可观察到劈尖表面移动的干涉条纹。移过某一点的干涉条纹数决定劈尖项角的变化。若劈尖项角的变化是由金属受热膨胀引起的 ,则可导出金属受热膨胀的绝对伸长量与移过的条纹数之间的关系 ,并通过它计算金属的线胀系数。通过对黄铜棒的测量 ,结果表明该方法是可行的     

Analysis on the laser beam pointing instability induced fringe shift and contrast dilution from different interferometers used for writing fiber Bragg grating

This paper presents an analysis on the effect of laser beam pointing instability on the fringe shift and hence the contrast dilution of superposed fringes from two beam interferometers. The interferometers analyzed are those commonly used in writing fiber Bragg grating (FBG) such as phase mask, bi-prism and phase mask based Talbot/Holographic type. The beam pointing instability is incorporated as slight change in the angle between two interfering beams. The relative immunity of different interferometers to laser beam pointing is discussed vs location of FBG writing plane from the beam splitter. The effect of the beam pointing was minimum in proximity FBG writing by phase mask. The effect, in terms of fringes contrast dilution, was worst in case of large length interferometers e.g. phase mask based-Talbot interferometer. For intermediate length prism interferometers, the effect was moderate. For a given length interferometer, the fringe shift was directly proportional to beam pointing angle and inversely proportional to fringe separation. Theoretical analysis is verified experimentally by studying the fringe instability of interference pattern formed by a bi-prism of angle 2^o with the copper vapour laser (CVL, λ = 510 nm) beams of different beam pointing instabilities.     

基于迈克尔逊干涉的傅里叶变换散斑形貌测量技术

提出了电子散斑干涉载频调制测量物体形貌的方法。采用典型的迈克尔逊干涉光路,将物体偏转一微小角度（等效为物面与参考面间形成空气楔）产生等厚干涉,可在物体的表面引入包含物体高度信息的载波干涉条纹。用CCD采集该载波条纹图,利用傅里叶变换法可解调出物体高度的位相信息,从而实现物体的形貌测量。介绍了电子散斑干涉载频调制测量物体形貌的原理,并进行了实物测量,给出了实验结果。由于该方法采用散斑干涉方法测量物体形貌,所以具有灵敏度高的优点。     

超二代微光像增强器Na2KSb(Cs)多碱光电阴极荧光谱研究

利用785 nm波长激光作为激发源,测量了超二代微光像增强器Na2KSb(Cs)多碱光电阴极的荧光谱.试验中发现该荧光谱不是一条光滑的高斯型曲线,而是一条在高斯型荧光谱上叠加了一定频率间隔小锯齿峰的曲线.经实验验证和理论分析证明该荧光谱上的小锯齿峰是一种干涉条纹,与超二代微光像增强器的结构有关.干涉条纹之间的间距与相邻两干涉峰波长的乘积成正比,与超二代微光像增强器的近贴聚焦距离成反比.干涉条纹调制度大小与Na2KSb(Cs)多碱光电阴极的厚度成反比.通过测量超二代微光像增强器Na2KSb(Cs)多碱光电阴极荧光谱上两相邻干涉条纹的间距和调制度,就可以测量或比较出不同超二代微光像增强器Na2KSb(Cs)多碱光电阴极的膜厚、近贴聚焦距离.研究结果对提高超二代微光像增强器阴极灵敏度和分辨力提供了一个有效的分析手段.     

CCD采集Twyman-Green干涉图中非正常条纹的探究

 CCD采集Twyman Green干涉图时常出现异常干涉条纹,阻碍观察者对真实条纹的判断与精确测量。针对此种现象,基于莫尔条纹的形成机理和CCD的空间结构,从理论上分析此非正常条纹为等厚干涉条纹与CCD空间结构形成的莫尔条纹。通过对光场分布的计算和Matlab数值模拟,调整各参数,重现此种条纹,进一步验证了理论解释的正确性。莫尔条纹对精细干涉条纹的观察有妨碍作用,实验中应当避免使用分辨率相当的CCD进行采集,或可通过改变CCD探测器的采样算法,使莫尔条纹效应减弱甚至消失。