光谱共焦位移传感器色散镜头设计

色散镜头是光谱共焦位移传感器的核心部件,轴向色散与波长之间的线性度直接影响系统的测量精度。研究了轴向色散与玻璃材质之间的关系,结合透镜组光焦度分配公式,分析线性色散产生条件,设计了一款色散镜头;使用ZEMAX进行仿真优化,镜头在500~700nm工作波段范围内,色散范围约为150.34μm,轴向色散与波长线性度通过一元线性拟合分析,判定系数达0.9972,镜头分辨率较高,配合现有的光谱仪使用,传感器分辨率可达纳米级,满足高精度测量要求。     

基于光谱共焦的碱金属气室壁厚测量传感器的线性色散物镜设计

基于光谱共焦的碱金属气室壁厚测量传感器是通过直接测量光波波长信息来得到透明材料厚度值,是一种非接触式厚度测量传感器。色散物镜是厚度测量传感器的核心部件,色散物镜的线性度和色散范围决定了厚度测量传感器的精度和分辨率。文章介绍了基于光谱共焦的厚度测量传感器的原理,分析了波长信息与轴向色散范围之间的关系,利用ZEMAX光学设计软件对色散物镜进行设计,采用多重结构进行优化。在420～620nm的波长区间内实现0.801mm的轴向色散范围,使用最小二乘法对波长和轴向色散进行线性拟合所得线性度为0.9975。配合0.001nm的高分辨率光谱仪,传感器测量精度可以达到纳米级,满足对碱金属气室壁厚高精度测量的需求。     

光谱共焦三维形貌仪用超大色散线性物镜组设计

光谱共焦三维形貌仪具有精度高、测量范围大、适应性强等特点,其关键部件是产生轴向色散的物镜,色散物镜轴向色散与波长间的非线性会导致系统整体性能下降。分析了共焦法检测表面形貌的工作原理,以及产生线性轴向色散的条件,根据共焦光学系统的基本设计原理,在预设的设计指标及要求下,完成一个超大色散线性物镜组设计。该色散物镜组采用四级串联结构,在400~700 nm光谱范围内达到30 mm的色散范围,波长离焦量和波长之间线性度通过线性回归拟合得出判定系数为1,满足色散的线性度要求。     

紧凑长轴向色散光谱共焦镜头

为提高和扩大光谱共焦位移传感器的测量精度和测量范围,并解决像方测量大数值孔径和物方光纤小数值孔径匹配下镜头过长的问题,设计一种紧凑型长轴向色散光谱共焦镜头。色散镜头用5个球面镜片,在工作波长450～700 nm内轴向色散范围达3.5 mm,波长和焦移线性拟合相关系数为0.97,像方数值孔径为0.48,光学长度为135 mm。在相同的镜头参数下,该色散镜头的轴向长度相比普通色散镜头减少了约35%。最后利用设计的色散镜头搭建光谱共焦位移测量系统,并进行性能评估实验。实验结果表明,该系统的最大测量标准差为0.05μm,最大平均绝对误差为0.04μm,实际轴向分辨率优于0.5μm,对被测物的最大测量角约为28.5°。     

光谱共焦测量系统中的色散透镜组设计

光谱共焦位移测量系统具有精度高、质量轻、体积小和灵敏高等优点,可以实现在各种极端情况下的微位移测量。在光谱共焦测量系统中色散透镜组的色散特性决定了整个测量系统的性能。对色散透镜组的测量需求进行了分析,提出了详细的设计指标,基于折射、衍射两种方法对透镜组进行了设计和优化,给出了设计结果。色散透镜组的色散范围为2.2mm,光谱范围为500～700nm,线性度较好。利用分辨率为0.5nm的光谱仪接收光谱信息,理论上精度优于2μm。     

光谱共焦显微镜用超大量程线性色散物镜设计

现有的光谱共焦显微镜色散物镜的量程大多在数毫米量级,为满足工业测量领域对大量程线性色散物镜的需求,文章从线性色散物镜设计原理出发,采用高性价比环境友好型光学玻璃,设计了一款仅由五片全球面镜片组成的超大量程线性色散物镜。设计结果表明,该物镜在400～700nm波长范围内的轴向色散达到30.44mm,且色散-波长线性度高于0.99,具有优异的线性关系,理论分辨率可以达到2.034μm。     

适用于色敏解调的光位移传感器宽带LED

为保证光位移传感器的工作性能,输入光源在500~800 nm波长范围内需具有较高的光谱能量,照明用LED波长在700 nm以上光谱能量陡降,限制了传感器的工作范围.针对照明用LED光谱能量不足的问题,研制出适用于色敏解调光位移传感器的宽带LED光源.首先利用单色仪对光位移传感器色敏元件WS7.56的性能进行了测试,依据色敏解调结果提出了光位移传感器正常工作所需的输入光源的光谱能量阈值.在照明用LED光谱特性基础上,配比掺杂氮氧化物红色荧光粉提升LED红光及近红外光光谱能量,得到了满足输入光源光谱能量阈值的宽带LED.最后,对该宽带LED光位移传感器进行了位移测量实验,实验结果较使用照明用LED光源有明显改善,位移解调线性度良好.本文研制的宽带LED光源体积小、效率高,是光位移传感器较为理想的宽带光源.     

基于偏振衍射色散共焦的光学元件轴向间距测量

光学元件轴向间距测量对精密光学系统的定位和装调具有重要意义。针对现有色散共焦测量系统中色散物镜结构复杂、色散范围小的问题,提出基于偏振衍射色散共焦的光学元件轴向间距测量方法,将传统折射共焦镜头几百毫米的轴向尺寸和复杂的装调需求简化为数毫米的单片镜,简化了系统结构。透镜间距和厚度测量实验表明,间距测量误差为10 μm。     

线性色散设计的光谱共焦测量技术

研制了高精度的光谱共焦位移测量系统并完成相关测试。基于色差理论和材料优化选择设计一种色差与波长成线性关系的色散物镜,有助于平衡系统在全测量范围的灵敏度。理论分析了系统参数对系统的影响规律,计算了针孔尺寸与系统的分辨率和信噪比的关系,给出了参数优化结果。利用设计的线性色散物镜和参数优化结果,构建了光谱共焦测量系统,完成了系统的校准、测试和应用研究。结果表明,系统的轴向测量范围达到1 mm,分辨力优于0.5μm,全程测量误差小于2μm,符合设计要求。     

基于二元光学透镜光谱聚焦特性的微间距测量

针对传统色散透镜的色散线性度很难保证为绝对线性,测量范围很窄的问题,且为了尽量减小球差尤其是对测量影响最大的轴向球差,提出一种将二元光学透镜引入到光谱共聚焦微小间距测量的方法。该方法中二元光学透镜的色散只与入射光的波长有关,且严格与入射光的波长成反比。二元光学透镜不存在球差问题且可以补偿校正测量系统中其他光学组件的未知色差。实验中选择510～690nm范围内的光谱,利用分辨率为0.5nm的光谱仪接收光谱信息,测得该方法的测量量程为13.95mm,测量误差为0.6μm,并通过对光盘上的刻录间距进行测量,验证了该方法的有效性。     

宽谱段共光轴线色散成像光谱仪三棱镜分光系统设计

针对棱镜型成像光谱仪结构复杂、具有严重的色散不均匀性,进行了共光轴线色散棱镜式宽谱段成像光谱仪研究。利用棱镜的色散公式建立了对称型三棱镜组合分光结构的数学模型,获得了满足直视结构的棱镜组合,并在此基础上分析影响棱镜组色散线性因素：棱镜材料的折射率和色散率对棱镜组线色散影响比较大,入射角度对其影响比较小,并提出改善色散线性的方法,获得了满足线色散要求的棱镜组合的折射率条件,从而为共光轴结构的线色散棱镜式成像光谱仪初始结构的选择提供了重要理论依据。在工作波段为400~1 000 nm、中心波长偏向角为0°、最大色散角为0.6°、光谱仪系统数值孔径NA为0.18、光谱分辨率为5 nm条件下,实现共光轴三棱镜分光系统的线色散设计,最后利用ZEMAX进行了模拟分析表明,理论计算结果与实际仿真结果基本相符。     

基于彩色共焦的位移测量系统研究

为实现小型化、非接触式、快速高精度的位移测量,设计并搭建了基于光学彩色共焦原理的位移测量系统。系统中数据拟合采用的方法是,对光谱响应函数极值周围的数据进行高斯叠加拟合,以获得光谱响应曲线的峰值,从而得到峰值所对应的波长。经过实验验证,系统的测量范围为2mm,测量精度可以达到10μm,线性度为3.4%,光谱响应的半高宽(FWHM)为49nm。因此能够满足一定精度的位移测量需求。     

应用共焦显微镜原理测量倾斜工程表面

用基尔霍夫衍射公式分析反射式共焦光路 ,得到了被测件有一定倾斜角度表面的共焦轴向响应理论模型。由菲涅耳衍射近似公式得到的共焦轴向响应特性只是它的理论模型的一个特例。同时 ,对接收端采用差动连接的共焦测量的聚焦瞄准信号进行了分析 ,得到了表面倾斜角对聚焦瞄准信号影响的关系。应用共焦实验系统及差动测量系统对具有不同倾角的块规斜面的轴向响应信号进行了测量。理论模型的数值分析与实验结果相吻合。用差动共焦光学系统作为瞄准传感器、用电容传感器进行位移监测 ,对倾角为 10°的角规的斜面进行测量 ,得到分辨率小于 2 0nm的表面形貌图。     

基于偏芯熔接光纤的应力与折射率传感器

基于偏芯熔接技术构建了一种新型马赫-曾德尔干涉(MZI)原理的应力与折射率光纤传感器。该传感器是由一段单模光纤的两端实施偏芯熔接而成。利用光纤包层模、纤芯模对应力和折射率的敏感特性,实现对外界折射率和应力的测量。研究结果表明,施加轴向应力范围为0~500με时,传感器的近红外透射光谱的波长出现蓝移,在1585nm附近干涉谷处的应力灵敏度约为-7.00pm/με;外界折射率在1.331~1.398RIU(RIU为单位折射率)范围时,传感器的近红外透射光谱的波长出现蓝移,在1570nm附近干涉谷处的折射率灵敏度约为-55.223nm/RIU;且均具有良好的线性拟合效果。该传感器也可应用于温度等其他参数测量,具有非常广阔的应用前景。     

光纤布喇格光栅中心波长反向漂移的实验研究

以较大载荷轴向拉伸光纤布喇格光栅时,由于裸纤与涂覆层的弹性模量不同,会产生中心波长反向漂移现象,严重影响了传感器的准确度与测量范围.实验研究表明,在光纤固定端适当剥除一段涂覆层,然后将裸露部分与带涂覆层部分同时固定,可将光纤布喇格光栅的中心波长反方向漂移量控制在10－3 nm以内,同时可增大光纤布喇格光栅的有效调谐范围,并使其能够保持较好的线性度,实验结果与理论计算结果相符合.     

宽谱段近红外星敏感器光学系统的设计

近红外波段测星已成为星敏感器的重点发展方向之一,针对近红外星敏感器使用波段宽的特点,依据消二级光谱理论中可行的两种消二级光谱方法,采用选取相对部分色散系数相同或接近、色散系数相差较大的玻璃组合的方法对近红外星敏感器光学系统进行设计。设计了一组工作波长为900 nm ~1 700 nm,F数为1.5,焦距为150 mm的光学镜头,该镜头在宽光谱范围内实现了二级光谱的校正,在空间频率等于32 lp/mm时各视场MTF均大于0.65,使系统具有良好的像质,能够满足近红外波段的测星要求。     

高非线性光子晶体光纤深紫外超连续谱的研究

光子晶体光纤作为光学非线性良好介质,对超连续谱产生具有重要作用。深紫外超连续谱光源在许多应用中有急切的需求,然而由于实验条件和光纤参数等方面的影响,利用高非线性光子晶体光纤产生深紫外(<280 nm)超连续谱的报道较少。通过理论和实验研究了高非线性光子晶体光纤在深紫外区的频率变换,并分析其产生的物理机理。使用钛宝石飞秒激光器将实验室自制的光子晶体光纤在反常色散区泵浦,研究了不同泵浦功率和泵浦波长对深紫外区超连续谱的影响,结果表明：泵浦波长固定为860 nm时,深紫外频率光谱展宽范围随泵浦功率的增加而逐渐展宽;泵浦功率固定为0.4 W时,泵浦波长的增加不仅展宽超连续谱范围而且极大的提高了深紫外区光谱的转换效率。当泵浦波长为870 nm,泵浦功率为0.4 W,实验所用光子晶体光纤长度为1.45 m,零色散波长为825 nm时,光子与色散波的交叉相位调制使深紫外基模超连续谱扩展到最短波长212 nm。     

双折射光子晶体光纤中基于孤子分裂的超连续光谱产生

利用亚纳焦量级、脉冲宽度为100 fs的激光脉冲在双折射光子晶体光纤中获得了450—1050 nm 的超连续光谱,且超连续光谱具有明显的分立峰状结构.分析了光谱中分立峰状结构产生的物理机制,抽运光波长处于接近零色散波长的反常色散区,形成高阶光孤子,由于高阶非线性和高阶色散的影响,高阶孤子分裂成多个基孤子,使初始光谱上演化出红移的光孤子成分和蓝移的色散波成分.理论模拟了飞秒激光脉冲在光纤中的色散特性和传输特性,较好地解释了实验结果. 关键词： 光子晶体光纤 超连续光谱产生 孤子分裂 脉冲俘获     

基于多模-细芯-多模光纤结构的Mach-Zehnder干涉仪的温度传感实验研究

介绍了一种基于纤芯失配的光纤Mach-Zehnder干涉(MZI)液体温度传感器。并对所制作的传感器进行了环境溶液温度响应特性实验研究,实验结果表明干涉谱峰值波长漂移量与溶液温度变化量之间存在良好的线性关系,当环境溶液温度变化范围在26~90℃时,传感器相应灵敏度为42.6pm/℃,线性度为0.994,且该传感器能够很好的消弱环境液体折射率变化对干涉谱峰值波长的影响,溶液折射率在1.345~1.403变化范围时,灵敏度仅为0.247 nm/RIU。     

三镜级联结构Gires-Tournois谐振腔的色散特性分析

系统分析了三镜级联结构G-T谐振腔的色散特性,表明三镜级联结构G-T谐振腔具有不同于两镜级联结构G-T谐振腔的特有色散特性.利用该特性以三镜级联结构G-T谐振腔作为色散补偿元件可有效改善MGTI型interleaver的色散性能,并给出了以三镜级联结构G-T谐振腔为补偿元件的具体补偿实例.模拟结果表明：对50 GHz的MGTI型光交错复用器,可实现中心波长附近±0.08 nm、±0.09 nm和±0.1 nm范围内的色散绝对值分别小于1 ps/nm、2.4 ps/nm和6.6 ps/nm的良好的补偿结果.与文献报道的两镜级联结构G-T腔补偿结果相比,色散绝对值小于1 ps/nm的波长范围扩大了60%;在中心波长附近±0.09 nm范围内的色散绝对值降低了92%.