减小外差干涉一次谐波非线性误差的方法

为了补偿激光外差干涉纳米测量中的非线性误差,提出了一种减小非线性误差的一次谐波方法。基于全反射理论分析了镀膜实体角锥棱镜反射光偏振特性,并由此推导出角锥棱镜反射光偏振特性及测量角锥棱镜以其运动方向为轴线的轴向旋转对激光外差干涉非线性误差一次谐波的影响模型。理论分析表明,测量角锥棱镜以其运动方向为轴线的轴向旋转会减小非线性误差一次谐波,当测量角锥棱镜轴向旋转97°时,可使非线性误差一次谐波达到最小,约为原有非线性误差一次谐波分量的1/20倍。当激光器出射的两束线偏振光存在6°非正交误差时,镀膜实体测量角锥棱镜轴向旋转角度从0°增加到97°,非线性误差一次谐波由5.30 nm减小到0.30 nm。     

激光干涉测长未对准误差分析

分析了激光干涉测长原理,建立了测长光路中角锥棱镜的光线偏移模型及内部光程模型,推导了忽略直线度误差及角度误差的未对准误差对定位误差测量结果影响关系的简洁表达式,进行了定位误差的测定实验,给出了未对准误差的一种定量评估方法.     

一种基于哈特曼传感器的角锥棱镜检测方法

在使用角锥棱镜前对其进行检测,选取误差较小的棱镜是一项关系到整个测量工作结果的重要任务。因此,提出一种用哈特曼波前传感器全面检测角锥棱镜角度误差和面形误差的技术方案,从理论上分析了哈特曼法的测量原理,深入研究了光经过角锥棱镜后的波面重建,给出了波面特征与角锥棱镜误差参量之间的关系。在试验中验证了这种方法的正确性和可行性。     

用矢量方法分析角锥棱镜的反射特性

从现代光学角度出发,利用反射、折射定律的矢量表达式,详细分析了理想角锥棱镜对光的反射特性以及角锥棱镜存在直角误差时对其光路的影响,并用大量公式进行了理论推导和论证.同时指出要在高精度测量过程中提高检测精度,任何一个角度误差都不能忽略.该分析结果对实际工作中应用角锥棱镜作为逆向反射器所造成的误差的修正具有指导意义.     

折叠式角锥棱镜谐振腔的偏振特性理论与实验研究

建立了角锥棱镜的偏振模型,分析了角锥棱镜对入射线偏振光的偏振态的影响,分析表明角锥棱镜的单个入射区域存在特殊的偏振方向,该方向的线偏振光被角锥棱镜反射后仍然是线偏振光。利用角锥棱镜的该特性设计了腔内存在线偏振光振荡的角锥棱镜激光谐振腔,能够使用电光开关调Q,在振动环境中具有较好的抗失调稳定性。研制了激光器样机并进行了实验,在重复频率为10 Hz时,输出激光单脉冲能量大于300 mJ,光束质量因子β值在2左右,实验结果也表明角锥棱镜的棱和顶点并不影响输出激光的光束质量。     

角锥棱镜的斜入射远场衍射图样

角锥棱镜是激光反射器的主要光学组件,在合作目标卫星激光测距中发挥着关键作用.精确计算角锥棱镜的远场衍射图样是估算激光测距回波能量的必要过程.本文基于角锥棱镜的反射原理,分析了不同激光入射方向对反射器有效反射面积的影响,提出了一种适用范围更广的有效反射面积计算方法,同时分析了激光入射方向对角锥棱镜光学反射率的影响.在此基础上,应用光学标量衍射理论建立了远场衍射图样算法,分别对多种激光入射方向的镀金属(银)膜和无镀膜角锥棱镜进行了远场衍射图样仿真计算,得到了两类角锥棱镜的远场衍射图样分布随入射方向变化的规律.搭建了角锥棱镜远场衍射图样测试系统,通过实测结果与仿真计算的对比分析,验证了仿真计算的准确性.     

角锥棱镜谐振腔激光模式模拟研究

为了探究角锥棱镜谐振腔激光模式,以角锥-平面镜腔为例,将角锥棱镜等效为衍射光栅,考虑角锥镜棱宽在谐振腔中的衍射效应以及二面角误差引起的附加相位分布对谐振腔激光模式的影响,在光学谐振腔理论的基础上,建立了求解本征模式的理论分析模型.采用快速傅里叶法数值模拟不同腔长、角锥镜棱宽和二面角误差情况下该无源谐振腔激光输出模式分布情况.结果表明,在腔长30 cm、角锥镜棱宽小于75μm、二面角误差在-10′~5′之间时,可实现光斑完整的圆形分布输出模式,且有较好的光束质量;棱宽不小于0.4 mm,二面角误差在-40′~10′之间时,光斑为TEM 03阶横模,光场呈六瓣分布;当角锥镜棱宽为0.4 mm、二面角误差为3′,腔长从30~90 cm范围内增加时,该谐振腔输出的激光模式从TEM 03转换成TEM 10.     

角锥棱镜的远场衍射特性

角锥棱镜具有空间反射特性，广泛用作激光测距的合作目标，不同的使用情况有不同的精度要求，对用于远距离测距的角锥棱镜其远场衍射特性将直接影响测距效果。通过对角锥棱镜角度误差和面形误差的分析，建立了具有角度误差和面形误差的角锥棱镜的出射波面的波差分布，并按照光波的衍射原理计算具有误差的角锥棱镜的远场衍射图。通过衍射图可以看出出射光束的发散程度随着角度误差的增加而增加，直至完全分离成六束光束。同时，面形误差的增加将导致衍射图的急剧恶化，使出射光束的质量明显降低。角锥棱镜的衍射特性对角锥棱镜的设计和评价具有指导意义。     

角锥棱镜的误差引起的反射光束相位误差分析

提出一种计算角锥棱镜反射光束相位误差的方法.光束通过非理想角锥棱镜时会引入一个附加光程差,从而改变光束的相位特性和反射光束的传播方向.在小误差近似条件下,采用光线追迹法建立了一个有效的数学模型,计算角锥棱镜的二面角误差和反射面面型误差引起的传输光束的附加相位,并分析了该模型的理论误差.在二面角误差为1",反射面面形光圈数小于0.5的条件下,该模型的数值仿真结果显示角锥附加相位具有高度的中心对称性,附加相位对入射光束引入的相位平均斜率为零,这一特性与误差的种类和大小无关.角锥棱镜的附加相位模型为分析其在应用中给系统带来的误差提供了一个新的方法,有助于指导不同应用场景中所使用角锥棱镜的加工指标要求.     

利用含二面角误差的角锥棱镜阵列实现反射光束均匀发散的方法

角锥棱镜常应用于光电跟踪、卫星通信、干涉仪等领域.在一些特殊应用场合中,要求经角锥棱镜反射的光束具有一定的发散角,以实现对距离激光器较远位置处探测器的覆盖.由于标准角锥棱镜不具备对光束发散的功能,本文利用含二面角误差的角锥棱镜对反射光束的不均匀发散特性,提出利用角锥棱镜阵列实现对反射光束均匀发散的方法和设计原则.采用衍射光学理论分析了所提方法及其设计原则的可行性,并依此设计了一个发散半角为0.5 mrad的角锥棱镜阵列.分析了光束参数、结构参数对反射光束远场衍射特性的影响,结果表明,入射光斑强度分布对反射光束发散半角没有影响,当角锥阵列满足点光源条件时,传输距离对反射光斑的角向均匀性没有影响;当阵元数超过一定值时,均匀性不再显著变化,但反射光斑的强度将进一步增加.在工程应用中,角锥棱镜阵列安装方位角误差对反射特性影响不显著,但角锥棱镜二面角的加工精度对反射特性影响较大,可通过进一步增加阵元数加以解决.     

A straightness measurement system using a single-mode fiber-coupled laser module

In this paper, a quite simple and novel straightness measurement system is proposed. The laser beam from a single-mode fiber-coupled laser module is highly stable, and can be used as the reference line for straightness measurements of any mechanical system. A corner retro-reflector is used as the moving target in the system in order to sense the straightness error and to reflect laser beam from measurement head back to it. In this way, there is no cable connection in the moving target, which is necessary for straightness measurements in workshop. At the same time, relationship between voltage output from a quadrant photodiode detector and its displacement was analyzed, and the theoretical analysis shows a good consistence with practical measurement results, which gives a way to enlarge the measurement range of the system. Comparative results of straightness measurement with a dual frequency laser interferometer were given, and repeatability with one micrometer at the distance of 1 m was gotten by the system.     

Measurement of Dihedral Angle Errors of a Large-Aperture Space Retroreflector: Separation of the Effect of Sag Due to Gravity

A 50-cm diameter hollow cube-corner retroreflector for a space application was tested with a 60-cm interferometer. To separate the effect of sag due to gravity, the interferograms were taken at six rotational positions, with the retroreflector mounted horizontally. The zero-gravity dihedral angles and the effect of sag were estimated from the interferograms.     

Pointing error due to retroreflector array in compact common path/common mode adaptive optical system

Pointing errors due to retroreflector arrays in compact common path/common mode adaptive optical systems are studied theoretically and experimentally. A mathematical expression for calculating the maximum pointing error is derived. The maximum pointing error is determined using the following factors: the number of subapertures of the retroreflector array, the RMS value of the slope of the retroreflector aberration, and the RMS and mean values of the transmitted beam intensity distribution. The principle behind the effect of the retroreflector array on the pointing error of the CP/CM system is discussed in this paper. Experimental results show that (i) the intensity nonuniformity significantly affects the pointing error, with the exception of the retroreflector aberration when the retroreflector array for the CP/CM system was designed, (ii) the pointing error can be controlled to sub-microradian levels.     

多自由度误差同时测量中的滚转角测量方法

提出了一种滚转角误差测量的新方法,该测量方法能够实现与其他自由度误差测量相集成,构成多自由度同时测量系统.系统采用带温控的半导体激光器单模光纤组件作为光源,有效降低了激光器本身的光线漂移,为测量提供高精度高稳定性的基准光线;采用特殊棱镜作为测量的敏感单元,通过此棱镜出射光线的直线度测量,间接实现滚转角误差测量.实验过程和数据表明,测量系统具有很好的稳定性和重复性,通过与电子水平仪的对比实验,验证了该方法的可行性,测量精度约为2".     

双激光器实时测量机翼变形的误差分析

基于双激光器测量机翼弹性变形量的理论模型,应用误差分析理论,分析了飞机在飞行过程中双激光器测量方法的误差。以激光器的原始测距误差为出发点,依据误差传递公式,分析了测量机翼变形量的绝对误差和相对误差,并给出了计算仿真结果和相应的图形。研究结果对机载毫米波综合孔径成像系统的图像校正和相位补偿、机载导弹挂飞试验等具有及其重要的应用价值。     

一种基于光栅的滚转角测量新方法

提出了一种利用一维平面透射光栅作为敏感器件的滚转角测量新方法。利用聚焦透镜及光电位置探测器组成接收测量单元, 避免了直线度误差带来的影响; 利用光栅的±1级衍射光束构成双光路差动测量, 基本避免了俯仰、偏摆角的串扰, 实现了误差分离, 同时增强了抗干扰能力。通过详细的理论分析, 论证了方案的可行性, 并在此基础上通过实验得到了定标曲线, 其线性相关度为1, 滚转角测量的角度分辨率可以达到0.6″。测量方法简单灵活, 仅需更换不同线数的光栅便可满足不同测量精度的要求。