干涉仪环境振动的外差检测与自适应控制

测试环境的微振动干扰会引起干涉图的抖动,影响移相干涉仪的测量准确．设计了一种内嵌于移相干涉仪的外差测振光路,对干涉仪所受环境微振动进行实时检测;采用单片RF/IF集成芯片对两路40 MHz的模拟外差信号直接进行比相,简化了通常使用的数字测相方法．在测得环境振动信息后,运用DSP技术和自适应信号处理的方法,实现了基于PZT移相器的自适应振动控制,实验结果表明干涉仪对幅频积不大于100 waves·Hz的环境振动的抑制能力达－39 dB.     

基于多光束混合外差干涉的相位增强技术研究

激光外差干涉测量技术是微振动探测的重要手段,随着微纳应用的拓展,人们对精密测量系统的相位检测灵敏度提出了更高的要求.传统提高测量灵敏度的方法有优化外差干涉系统方案、改进相位重建算法和降低关键器件噪声等.本文提出了一种多光束混合干涉的相位增强方法,经过理论推导和实验验证得到如下近似条件:校正光与信号光的初相位相差πrad情况下,两光束的功率越接近,系统对目标的弱振动振幅响应越大.实验设计的两光束功率相差1%时,观察到了最大146倍的增强效果,该方法在微振动物体高灵敏度测量上具有较大的应用价值,在现有器件指标和相位解调算法不变的基础上可大幅提高外差干涉测量系统的探测能力.     

激光干涉光路偏振移相误差分析

成像光谱仪能够获得目标表面图像特征和频谱特性,提高目标识别分析能力,在军用、民用领域有广泛应用。红外焦平面阵列的等光程间隔采样特性是限制光谱仪分辨率的重要因素。激光干涉光路与成像系统同光路,为红外焦平面阵列提供采样触发信号,实现等光程差采样。通过搭建激光偏振移相干涉光路,对干涉信号幅值和相位差进行理论分析和实际验证,最终调试得到两路正交干涉信号,相位差范围为84.6°~93°,反射透射光强幅值比例小于1∶1.05。实验结果表明,干涉光路中1/8波片角度、偏振分光片角度、探测器位置等参数是影响干涉信号幅值和相位差的重要因素。     

基于脉冲计数的零相位差跳变补偿外差干涉信号处理方法

在基于脉冲计数的外差干涉信号处理中,提出了一种零相位差跳变补偿的大小数相位结合处理方法,可实现外差干涉信号处理中大小数的准确结合。大数测量采用对两路干涉信号进行脉冲计数同步对减的方法实现,小数测量采用混频降频方法来提高测量分辨率,并采用锁相环对拍频信号跟踪产生用于混频降频的动态基准信号,解决外差信号拍频变化的问题,以提高小数测量分辨率的稳定性。基于信号发生器对实现的外差干涉信号处理方法进行了验证,包括测量精度、大数计数、小数相位测量。构建了双通外差干涉位移测量光路,通过对精密导轨位移的测量来验证大小数结合处理方法的有效性和信号处理方法在外差干涉位移测量应用中的可行性。     

差动式双波混合干涉微小振动检测系统

针对工业环境下粗糙金属表面微小振动的在线测量需求,提出了一种基于差动式双波混合干涉的微小振动检测系统。该系统将极性相反的高电压分别施加在两块硅酸铋晶体上以得到差动式双路振动解调信号,进而通过差分处理抑制对电压极性不敏感的噪声并提高灵敏度。为验证所提出方案的可行性,分别进行了仿真分析与实验验证。对一粘连在压电陶瓷上的紫铜片进行振动测量实验,并将振动测量结果分别与施加在压电陶瓷上的电压和激光测振仪的测量结果进行对比。结果表明,利用所提出检测系统可准确获得振动信号的频率、相位和幅值信息,与单路式结构相比,差动式双波混合干涉仪的灵敏度提高了一倍,信噪比从27.47 dB提高到了30.83 dB,相对误差的均方根值从3.07%降低到了1.42%。     

基于差分探测的低相干外差干涉间隙测量技术

针对低相干外差干涉间隙测量技术应用于发动机、燃气轮机等设备内部高温、高压、强振等恶劣环境时,面临信号弱、信噪比差导致测量范围受限的问题,提出利用差分探测技术来提升拍频信号信噪比的方法。围绕所提出的方法,建立了严格的间隙测量模型,并从理论上说明了其具有提升信号信噪比、扩大测量范围的优势。为证明方法的可行性,搭建了全光纤低相干外差干涉间隙测量实验验证系统,进行单端探测与差分探测的间隙测量对比实验。实验结果表明在同等测量条件下,差分探测方式将信噪比提高了4.22倍,测量范围由10 mm增加到了20 mm。进一步,对系统的测量不确定进行了分析,理论和实验均表明,由于光纤延迟器件扫描速度的不稳定性,系统测量不确定度整体上具有随测量间隙增大而增大的趋势,但在20 mm测量范围内,测量不确定不超过15μm。     

双通道符合计数光子外差探测系统仿真构建与研究

本文提出将符合测量方法用于光子外差测速技术中,将光子符合计数模式应用于光子外差测速系统,能够在一定程度上减少背景噪声、暗噪声和后脉冲带来的光子误计数,提高信噪比等测速性能。基于外差原理与单光子探测的泊松响应,以及光子符合计数原理,本文仿真研究了双通道符合计数光子外差系统的性能,利用1550 nm连续波激光器探测匀速运动目标,结果表明,双通道符合计数模式下中频信号功率谱的信噪比明显高于单通道自由运行模式和一阶滤波下的功率谱信噪比。随着信号光子数增加,两种计数模式的信噪比能够相差2～3 dB。针对该方法,又进一步通过仿真研究了本振光强、背景噪声、中频频率、探测时长四个因素对双通道符合计数光子外差测速系统性能的影响。结果表明,随着本振光强与信号光强的比值逐渐增大,系统信噪比先增大后减小,在kL=3附近时达到最大;背景噪声越大,饱和信号光子数越大,饱和信噪比越低;探测时长越长,饱和信噪比提高幅度越大;而在探测带宽之内,中频频率也即运动目标的速度对结果影响较小。本文从改变前端光子计数模式的角度提高光子外差探测系统的性能,为提高光子外差测速的信噪比拓宽了思路。     

空间外差光谱仪干涉图滤波方法研究

在分析空间外差光谱仪干涉图生成及特点的基础上,提出了基于改进旋滤波的干涉图降噪方法。该方法是在干涉条纹的切线方向进行滤波,能够在不改变干涉图条纹细节的基础上减少干涉图中的随机噪声和暗斑噪声的影响。同时该方法还能有效降低平均光谱的背景噪声,提高特征光谱与背景噪声的信噪比,结果显示旋滤波方法对加入噪声前后干涉图的平均光谱背景噪声信噪比改善分别为47%和240%,能够将一些峰值较小的特征谱从背景噪声中提取出来,提高空间外差光谱技术对一些弱特征光谱的识别率。     

微探针纳米尺度振动测试的实验研究

微探针是扫描探针显微镜(SPM)的重要组成部件,其共振频率等振动特性直接影响系统的性能。给出了系统微探针共振频率的测试方法,对微探针在压电陶瓷驱动力作用下的受迫振动进行了有限元分析。提出了相位变化0.1°所对应的0.1nm位移分辨率的双频激光外差干涉光学测量系统,对微探针纳米尺度振动特性进行了测试对比实验,并对SPM标定样块进行了比对分析。实验结果验证了双频激光外差干涉测量方法的可行性和其应用价值。     

分布式光纤声波振动传感系统研发及应用

针对油气田勘探开发需获取微声波信号完整波形的问题，开展了基于双脉冲外差调制与反正切外差解调方案的分布式光纤声波传感（DAS）技术研究与配套系统研发。通过特征参数室内振动模拟实验，新型DAS系统的响应频率范围20 Hz～25 kHz、最大动态范围60 dB、信噪比49 dB，满足微声波信号幅度、频率、相位等信息的探测需求。同时，该系统在新疆油田稠油热采井下蒸汽腔探测方面成功开展了现场应用，实测有效声压强度?195 dB，验证了系统的可靠性，具有良好的应用前景。     

微振动振幅的精密测量

本文给出一种微振动振幅的精密测量方法.此方法采用光拍相位检测、伺服锁定干涉仪光程差和窄带检测技术,大大提高了信噪比.微振动振幅检测灵敏度达2.2×10~(-2)(?)/Hz~(1/2)(2kHz信号).     

High sensitivity micro-displacement homodyne interferometry北大核心CSCD

Interferometry is widely used in nano-scale micro-topography measurement. In order to improve its accuracy and sensitivity, a high-sensitivity homodyne interferometry based on white light interference and laser secondary interference was proposed. A high-sensitivity homodyne interferometry system was designed, and the zero point of the laser secondary interference was used to locate the dark striation of white light interference, so that it could reach the maximum slope when optical path difference was zero. The signals of white light and laser were analyzed by using the wave principle and intensity formula of interference fringes, and a sensitivity calculation method based on the combination of white light and laser interference signal was proposed. The system and its sensitivity were simulated. Finally, the optical path was built, and the white light interference fringes were adjusted to the dark striations position, so as to locate the zero position of laser secondary interference and carry out the data acquisition. It is showed that the sensitivity of the measurement method is at least 1 832 times higher than that of the laser secondary interference, and the corresponding measurement uncertainty is only ±0.288 7 mV. The measurement system can effectively solve the problem of large amount of calculation in traditional interferometry, and has high sensitivity, stability and reliability. Copyright ©2022 Journal of Applied Optics. All rights reserved.     

Applying the optical activity of cholesteric liquid crystal for measuring small wavelength differences

This work proposes a simple measurement technique based on the optical activity of cholesteric liquid crystal (CLC) and circular common-path heterodyne interferometry for measuring small wavelength differences. A circularly polarized heterodyne light passes through a CLC cell and an analyzer, generating an interference signal. When the CLC cell is properly chosen with a circular regime, it has strong optical activity. Accordingly, the phase difference between the left and right circular light of the interference signal depends strongly on the wavelength. As the wavelength changes, variations of the phase difference can be accurately detected by heterodyne interferometry. Substituting the variation of phase difference into specially derived equations, the wavelength variations can be estimated accurately. The feasibility of this method, which is applicable when the wavelength is larger than the product of the pitch and the refractive index of the CLC cell, was demonstrated; it provides the advantages of simple installation, ease of operation, and high accuracy.     

调制法提高体表内部虚拟超谱图信号检测信噪比

体表内部虚拟超谱图将皮肤组织中的成分和结构信息有机融合表达,具有"图谱合一"的特点,有望应用于临床体表组织疾病的快速检查,但由于检测中信号微弱,极易受到环境光的影响和仪器本身暗电流的限制。为解决这一问题提出斩光盘对光源进行方波调制的方法,搭建实验平台,选择大功率的超连续谱激光和应用广泛的溴钨灯两种光源,在人为添加红色激光、紫色激光干扰和自然环境光干扰三种环境中,采用非调制和调制光源对人体手臂进行VIHBS对比实验,并对调制后的信号实现FFT解调处理。实验结果表明,调制法能够有效的消除环境光和暗电流的影响,提高信号检测的信噪比,为人体组织微弱光学信号的检测开辟了新的思路。     

空间外差光谱仪干涉图非均匀性校正研究

空间外差光谱仪在研制加工过程中,由于加工误差及胶合误差会使CCD接收到的干涉图存在光强分布不均匀现象,降低了变换光谱的准确性。基于对空间外差光谱仪干涉图光强非均匀性的产生机制与特点分析基础上,提出了一种干涉图非均匀性校正方法,该方法通过对实际干涉图进行单调分解、分段归一化及重新组合过程求解出光强分布函数,然后将变换光谱与光强分布函数倒数的傅里叶变换结果进行卷积来获得非均匀性校正后的光谱,最后将校正光谱进行逆傅里叶变换从而实现干涉图的非均匀性校正。将此方法应用于空间外差试验仪的近红外实测单色光干涉图的非均匀性校正,结果显示,该方法可以有效改善干涉图光强分布的非均匀性,抑制变换光谱的边频信号,通过与仿真的理想光谱对比,1 571和1 572 nm光谱校正前后噪声的减小率分别达到40.7%和24%,提高了光谱信噪比和准确性。     

New Phase-Shifting Method Using Two Images

We propose a continuous two-step method (CTSM) to obtain an image from two interference images for the measurement time reduction of optical coherence tomography. Image processing is performed for each pixel in CTSM. The calculated signal intensity has an average and standard deviation after processing since the heterodyne beat signal contains the noise in the measurements. We assume that the heterodyne beat signal contains the random noise in simulations and calculate the influence of the normalized standard deviation (NSD = standard deviation/average) on the random noise intensity for both CTSM and the conventional three-step method (TSM). We found that the NSD of the CTSM is only 1.4 times greater than that of the TSM despite processing only two images.     

干涉成像系统信噪比的统计分析

根据统计光学建立了干涉成像系统信噪比的理论模型,数值分析了干涉成像系统信噪比与系统参数之间的关系。分析结果表明:为了提高系统的信噪比,应提高信号光场强度与噪声光场强度之比,使参考光和测试光光强接近相等,降低系统中光学元件的数量和每个元件的偏差,使光源相干长度约为测试光和参考光间光程差的2～5倍。要使信噪比大于10,则要求系统中光学元件总偏差的标准差小于1/4波长。信噪比的统计理论模型可为干涉成像系统设计和干涉测量提供理论指导。     

物光的偏振性对全息记录质量的影响

通过对菲涅耳三维漫反射全息记录光路中物光与参考光偏振状态的实验检测，发现线偏振的激光被不同表面材料的物体散射和漫反射后变成“部分偏振光”，几乎所有目标物都有显著的消偏振现象，全息干板上实际记录的是线偏振的参考光与“部分偏振”的物光形成的相干度较低的干涉条纹。物光偏振度的大幅度下降影响干涉条纹的衬比度，并增加全息图的噪声。给出实验方案和检测光路，采用在参考光路中插入1/4波片的方法，可充分利用非偏振物光各个振动方向的光能，提高条纹的衬比度。     

基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的强度测量研究

根据光外差检测原理，分析得到干涉测量适用于信号光强小于参考光强的探测，直接测量适用于信号光强大于参考光强的探测的结论。利用自制的全光纤马赫-曾德尔干涉仪系统，对位移信号进行了测量。实验结果表明：当位移信号较小时，干涉测量的灵敏度分别为62．068μW／mm和9．90mV／mm，而非干涉测量的灵敏度分别为4．30μW／mm和0．35mV／mm；当位移信号较大时，干涉测量的灵敏度分别为2．643mV／mm和0．055mV／mm，非干涉测量的灵敏度分别为12．326mV／mm和4．194mV／mm，测量结果与分析得到的结论一致。对于光纤干涉仪强度调制检测的应用具有参考价值。     

Stepped polarization states: Representation and its applications to optical sensing and measurement

By the introduction of proper step functions, the alternately polarized light with stepped polarization states can be represented as one concise Jones or Stokes vector, or one complex number. These expressions can simplify the analysis and design of polarization-multiplexed optical systems. Both azimuth-stepping and ellipticity-stepping polarization states can be generated by the use of an electrooptic modulator based on dual transverse Pockels effect. In polarimetric sensing and measurement systems, the application of stepped polarization states can both simplify signal processing, and improve measurement sensitivity and signal to noise ratio (SNR).