激光外差探测超声位移的原理、方法和实验

本文介绍了激光外差探测超声位移的原理，用布喇格声光衍射盒作为激光移频，锁相环作调相信号解调等方法组成的外差干涉探测装置和实验结果，并分析了空间准直性对激光外差干涉信噪比的影响以及减小探测极限和抑制噪声的途径。     

近距离激光外差探测光学极限位移分辨率

通过统计理论和维纳-辛钦定理推导出激光外差探测系统光电流的功率谱函数,分析了光电流谱线分布与激光光源线宽、中频信号频率以及信号光相对本振光传输延迟时间的关系,修正了相关文献中光电流功率谱的理论公式.根据信号与噪声理论建立了激光线宽引起的相位噪声的一维概率分布模型,并据此得到了基于激光波长、探测距离以及激光线宽的极限位移分辨率的数学模型.对光电流的功率谱和外差光学极限位移分辨率进行了相关的数值仿真,结果表明延迟时间与相干时间的关系决定光电流谱线分布的情况.当激光波长为532 nm,激光线宽在1 kHz,探测距离为100 m时,光学极限位移分辨率为0.266 nm,相关文献中的实验数据与理论推导结果相符合.     

多光束激光外差高精度测量玻璃厚度的方法

利用基于激光外差测量技术和激光多普勒技术的非接触式多光束激光外差测量方法,得到了光电探测器输出电流的谐波表达式.讨论了该测量方法用于玻璃厚度超精密测量的可行性及理论依据,并利用Matlab软件对不同情况进行了仿真实验.结果表明：该方法在不同入射角时测量平板玻璃厚度最大的误差为0.3%,明显比其他测量方法精度高. 关键词： 外差探测 多光束激光外差 激光多普勒技术 非接触式测量     

红外激光外差气体分析仪信号分析

本文研究红外激光外差气体分析仪信号提取的数学模型,论证了外差气体分析仪的探测灵敏度可达10~(-4)ppb,这比直接探测方式约高九个量级.文中着重分析了方波控制激光器的频谱形式、光信号外差探测装置和电信号解调原理.最终导出外差气体分析仪气体浓度信息流程,据此绘制了方波控制CO_2激光外差气体分析仪原理方框图.     

光学外差法测量Ba原子的自电离态

提出了把三光子共振非简并六波混频(NSWM)和双光子共振非简并四波混频(NFWM)应用于研究Ba原子自电离态的光学外差探测方法。采用该方法测量了Ba原子的6P_３／２19d自电离态,并观察到了三光子共振 NSWM和双光子共振NFWM信号干涉引起的信号增强。该方法是一种纯非线性光学方法,具有优秀的空间分辨率和简单的光路。其中双光子共振非简并四波混频信号作为本地振荡光束,三光子共振非简并六波混频信号作为信号光束,通过 改变信号光束的频率来达到用光学外差探测法研究Ba原子自电离态的目的。该方法中,实现相位匹配所要求的条件不是很严格,可以在很宽的频率范围内实现相位匹配,而一般的六波混频很难做到相位匹配, 并且所测量的信号是相干光, 当用窄带宽的激光时,可以获得消多普勒的分辨率。     

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.     

全光纤双通道大气温室气体激光外差光谱探测技术研究

激光外差光谱技术是近年迅速发展的一种高光谱分辨率遥感探测技术,其装置具有体积小、光谱分辨率高等特点,适用于大气温室气体浓度的探测。各种观测实验已证明其是一种切实、有效的探测手段,在地球大气探测领域具有很大的应用前景和潜力。在现有激光外差光谱仪器的基础之上,提出了一种新型的仪器结构。采用光纤光开关对直射的太阳光进行调制与分束,实现利用单个光纤光开关进行两个波段激光外差信号的同时探测。为全光纤激光外差光谱仪的下一步系统集成和多波段激光外差光谱仪的构建提供了新方法。从激光外差探测的原理出发,分析了激光外差光谱探测技术的优势和关键参数,并结合自行研制的高精度太阳跟踪仪,搭建了一套近红外双通道全光纤式激光外差辐射计的原理样机。详细地阐述了激光外差辐射计原理样机中各功能模块的作用和参数,着重描述了光纤光开关在其中的作用原理和功能,详细地讨论了激光外差光谱仪的波长扫描模式和波长标定方法。在此基础上,讨论了激光外差辐射计的相关参数设置依据和仪器函数的测量方法,并给出了激光外差装置的仪器函数以及相应的光谱分辨率(0.004 4 cm-1)。利用搭建的激光外差光谱仪在合肥地区(31.9°N, 117.166°E)进行了实际的大气探测,同时在波段(6 056.2~6 058.1 cm-1)和(6 035.6~6 036.5 cm-1)分别获取了CH₄和CO₂分子的激光外差吸收信号,并对吸收信号进行了波长标定和归一化,得到了CH₄分子和CO₂分子的整层大气透过率谱,测量光谱信号的信噪比分别为197和209,同时也对分子吸收信号的光谱特征进行了分析。本文的测量实践表明光纤光开关可以用于激光外差光谱系统的结构优化,实现多通道多波段的激光外差光谱同时测量,拓展激光外差光谱仪在大气探测领域的应用。     

Doppler振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量角度的方法

提出了一种多光束激光外差测微小角度的新方法. 基于激光外差技术和Doppler效应, 通过做简谐振动的Doppler振镜对不同时刻入射光的正弦调制, 把待测角度信息加载到外差信号的频率差中, 经信号解调后可以得到待测角度参数值, 经加权平均处理可以提高待测角度的测量精度. 利用这种新方法, 通过Matlab仿真了平面标准镜不同入射角的模拟结果, 表明该仿真结果的最大相对误差小于0.789677%. 关键词： 角度测量 多光束激光外差 激光Doppler技术 Fourier分析     

基于激光外差技术的高分辨率整层大气透过率测量

激光外差技术是一种高灵敏度的光谱探测技术,利用该技术研制的装置易于集成化小型化,可以进行地基或星载的地球大气或天文观测。基于激光外差光谱测量技术,结合自研的太阳跟踪仪建立了一套高分辨率整层大气透过率测量系统,系统分辨率约为0.006 cm-1。该系统利用太阳光和红外激光在非线性探测器中进行光学混频,通过对获取的混频信号进行电子学滤波和平方率探测,获得了高光谱分辨率的外差信号。采用Langley-plot定标法对测量系统进行定标,获取了仪器标定常数和对应的大气总光学厚度,实现了中红外波段整层大气透过率的实时测量。同时,将实测整层大气透过率与MODTRAN5.0软件仿真计算的结果进行对比分析,两者的一致性较好。分析表明该测量系统具有很高的分辨率并且性能稳定可靠,在大气科学、天文观测和激光大气传输等研究领域具有广阔的应用前景。     

调Q激光光折变自适应光外差探测技术研究

基于光折变晶体中自泵浦与互泵浦相位共轭共存效应,利用新型光折变自适应光外差探测系统进行了调Q脉冲激光的光折变自适应光外差探测技术研究.结果表明,该系统可以用来实现单纵模调Q脉冲激光的自适应光外差探测,并可以通过提高本振光强度有效地提高外差探测灵敏度.进一步的实验和理论分析表明,对于一般的调Q脉冲激光,由于其各个纵模频谱分量之间不相关,难于实现光外差探测.     

Laser phase and frequency stabilization using an optical resonator

We describe a new and highly effective optical frequency discriminator and laser stabilization system based on signals reflected from a stable Fabry-Perot reference interferometer. High sensitivity for detection of resonance information is achieved by optical heterodyne detection with sidebands produced by rf phase modulation. Physical, optical, and electronic aspects of this discriminator/laser frequency stabilization system are considered in detail. We show that a high-speed domain exists in which the system responds to the phase (rather than frequency) change of the laser; thus with suitable design the servo loop bandwidth is not limited by the cavity response time. We report diagnostic experiments in which a dye laser and gas laser were independently locked to one stable cavity. Because of the precautions employed, the observed sub-100 Hz beat line width shows that the lasers were this stable. Applications of this system of laser stabilization include precision laser spectroscopy and interferometric gravity-wave detectors.     

一种基于光学倍乘原理的绝对距离干涉测量系统

介绍了一个基于光学倍乘原理的绝对距离干涉测量系统。系统包括两个干涉仪:采用半导体激光器作为光源的定位干涉仪和测量位移的外差干涉仪。介绍了光源的选择,系统的设计以及信号的采集和处理方案。采用这套绝对测量系统,可以实现长度为2m以内的绝对距离测量,定位精度可以达到±0.5μm。     

双平衡式相干接收原理及其在外差干涉仪中的应用研究

利用琼斯矩阵理论推导了光学双平衡式相干接收的原理,得到了具有正交相关性的包含全部光学信息的IQ信号,给出了基于IQ正交信号解调待测光信号信息的信号处理算法.基于该原理设计了一种高速微机电系统扫描式激光外差干涉仪,得到了待测玻璃的厚度信息分布图.该干涉仪的波前相位差提取准确度可高达0.01 rad、测量速度可达40 frame/s、最大测量直径可达到300 mm,在实时光学检测方面有广阔的应用价值.     

双平衡式相干接收原理及其在外差干涉仪中的应用研究

利用琼斯矩阵理论推导了光学双平衡式相干接收的原理,得到了具有正交相关性的包含全部光学信息的IQ信号,给出了基于IQ正交信号解调待测光信号信息的信号处理算法.基于该原理设计了一种高速微机电系统扫描式激光外差干涉仪,得到了待测玻璃的厚度信息分布图.该干涉仪的波前相位差提取准确度可高达0.01 rad、测量速度可达40 frame/s、最大测量直径可达到300mm,在实时光学检测方面有广阔的应用价值.     

Dynamic two-frequency interferometry for small displacement measurements

Two-frequency interferometry for small displacement measurements is examined from a practical point of view. A laser beam that is modulated sinusoidally in intensity by an acousto-optic Bragg cell provides signal and reference optical waves to produce dynamic interference. The output signal of a photodetector receiving the interference is composed of optical homodyne and heterodyne components. The heterodyne component carries a vibrational displacement to be detected on its amplitude. A sinusoidal vibration amplitude is measured down to 0.5 nm.     

激光羽烟透过率测试技术研究

为了准确评估固体推进剂的性能,研制了红外激光羽烟透过率测量系统。系统采用透射的方法:在发射端对激光信号采用内调制,由光学系统送入接收端,并将接收到的信号进行光电转换、信号处理和A/D转换后送入计算进行数据的处理和显示。现场测试结果表明该系统的精度、响应速度和稳定度达到设计要求。