一种基于两块PEM调制器的光谱测量方法

弹光调制干涉信号范围为百赫兹到数十吉赫兹之间,而由于探测器阵列无法对该等级频率实现有效响应,因此,该情况使弹光调制器在光谱成像工作中受到限制。为了解决该问题,发展了一种使用两块具有相近谐振频率的PEM,并基于该频率差进行光信号调制的方法。该方法将两个弹光调制器分别工作在数值略有差异的频率f₁和f₂上,被测光通过双弹光调制器实现差频调制,因此干涉信号中产生载有被测光的低频调制分量,低频调制频率是以δ_i(σ,t)=δ_0i(σ)sin(ω_it)为基频的一系列倍频信号,该低频调制信号使用普通探测器即可实现探测,再将直流和高频信号滤波后,仅对调制信号后的低频成分进行对应的运算即可得到被测光谱。由于该频率差比所使用PEM的谐振频率低2至3个数量级,因此,该方法可使探测器获得更多的响应时间,而且由于该方法并不需要所使用的两块PEM具有严格一致的谐振频率和相同的光程差,降低了系统本身的设计难度。     

基于微梯形弹光晶体的大光程差PEM研究

针对目前基于弹光调制器(photoelastic modulator,PEM)的傅里叶变换光谱测量技术(PEM-FTS)的光谱分辨率低,并且PEM调制光程差有限、多次反射对入射光斑大小要求高且光能利用率低等缺点。提出一种基于微梯形八角结构弹光晶体的大光程差PEM方法。通过改进弹光晶体结构,使其为微梯形八角结构,两个通光面略微成一定夹角,该结构PEM不仅可以有效提高PEM调制的最大光程差,而且对入射光斑要求较小。理论推导分析了该PEM的最大调制光程差,并推导得出任意角、任意位置入射时PEM的最大调制光程差公式;通过多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics 4.3a对PEM的振动模态和应力分布进行分析;结合PEM的最大调制光程差和光能利用率,分析了寻找最佳入射角的方法。设计加工该PEM,其中弹光晶体选用硒化锌晶体,压电晶体选用压电石英晶体。采用波长为632.8 nm的氦氖激光进行实验分析,实验结果显示,在相同驱动电压下,该PEM的最大调制光程差是普通PEM的19.25倍,与理论仿真的相对误差为1.3%。     

基于弹光调制的双折射测试系统数据处理研究

干涉法和补偿法等双折射测量方法需要转动待测样品或偏振元件,操作不便、测量速度慢、精度有限。提出了一种双弹光调制与上位机组成的双折射系统。由弹光调制来产生调制信号,加载待测样品信息,调制信号采集至上位机中进行数据处理,进一步完成延迟量和快轴方位角求解。对测试方案原理进行分析,重点进行了系统数据处理的上位机设计与实现,完成了软硬件系统搭建。采用1/4波片进行了实验测试,实验结果表明延迟量测量相对误差为2%,快轴方位角测量相对误差为0.4%,延迟量和快轴方位角的标准差分别为0.056nm和0.022°。     

弹光调制器准单色光波偏振测量与仿真

弹光调制器(Photoelastic Modulator,PEM)互差频调制的新型偏振测量方法,能够同时实现三个斯托克斯光谱偏振参数测量,克服了现有方法的无法用阵列探测器有效采集,调制频率高的缺点,保留了原有弹光调制器偏振测量的优点。文章以光学系统的准单色光的偏振特性以及常用的偏振分析方法为基础,引入了Stokes矢量来表示入射光波的偏振特性。分析了弹光调制器实现偏振测量新方法的原理,利用三个弹光调制器工作在互相差异的频率上,对偏振光进行差频调制,产生载有偏振信息的低频分量,再通过锁相放大即可得到偏振信息,并给出利用MATLAB模拟仿真实现Stokes参量复原的过程。理论分析及仿真结果证明了该方法在理论上的可行性。     

开关模式的方波调制超声波发射电路

一种基于开关模式的方波调制超声波发射电路,是利用超声换能器压电晶体振子的串联谐振网络与有源开关器件之间所形成的最佳响应,实现了高效的方波调制发射。 本文分析了此种电路的特点和数学表达式,叙述了实现这一电路的实验方法,最后给出了由这一电路产生的超声波方波调制脉冲的波形图。     

一种基于两块PEM调制器的光谱测量方法（英文）

弹光调制干涉信号范围为百赫兹到数十吉赫兹之间,而由于探测器阵列无法对该等级频率实现有效响应,因此,该情况使弹光调制器在光谱成像工作中受到限制。为了解决该问题,发展了一种使用两块具有相近谐振频率的PEM,并基于该频率差进行光信号调制的方法。该方法将两个弹光调制器分别工作在数值略有差异的频率f_1和f_2上,被测光通过双弹光调制器实现差频调制,因此干涉信号中产生载有被测光的低频调制分量,低频调制频率是以δ_i(σ,t)=δ_(0i)(σ)sin(ωit)为基频的一系列倍频信号,该低频调制信号使用普通探测器即可实现探测,再将直流和高频信号滤波后,仅对调制信号后的低频成分进行对应的运算即可得到被测光谱。由于该频率差比所使用PEM的谐振频率低2至3个数量级,因此,该方法可使探测器获得更多的响应时间,而且由于该方法并不需要所使用的两块PEM具有严格一致的谐振频率和相同的光程差,降低了系统本身的设计难度。     

基于铌酸锂压电弹光双效应的单晶体弹光调制器

为了克服Kemp型弹光调制器调制效率低、加工工艺困难及体积大等缺点,提出了采用铌酸锂(LiNbO3)晶体压电弹光双效应的单晶体弹光调制器的设计思想;根据压电振动理论和晶体光学原理,分析了晶体各物理量随空间变换的特性,推导了调制电压相位差振幅之间的关系,并对晶体切型和通光方向进行了优化,所设计的晶体尺寸为41 mm×7.7 mm×17.1 mm（x×y×z）,切割角为0°（x切）,通光方向z轴（光轴）,通过在x-z面施加与晶体谐振基频一致的周期性电压,产生沿x方向,频率为73.71 kHz的伸缩振动, 最后通过实验对所设计单晶体弹光调制器进行了验证;实验结果表明,对633 nm激光进行半波调制时,该弹光调制器所需调制电压为1.6 V;与基于钽酸锂(LiTaO3)且未进行切型优化的单晶体弹光调制器相比,调制电压下降了约4倍。     

基于双弹光级联差频调制的波片参数测量研究

为了实现对波片快轴方位角和延迟量参数快速、高精度测试,提出了一种基于双弹光级联差频调制的波片参数测量方案。选用两个工作频率不相同的弹光调制器级联,构成偏振分析测量装置。波片的两个参数被加载到偏振分析装置的调制信号中,采用数字锁相技术同时提取调制信号的基频项和差频项,然后完成波片全部参数求解。按照原理分析,搭建了实验系统,并完成了系统初始偏移值定标,完成了632.8 nm的1/4波片,532 nm的1/4波片和1/2波片实验测量。实验结果表明,本文方案的快轴方位角测量最大偏差为0.2°,角度测量标准偏差为0.02°;波片的相位延迟量标准偏差优于5.64×10^-4 rad,单点数据测量时间仅为200 ms。考虑到波片材料的双折射色散,根据检测激光波长下测量的相位延迟量,进一步计算出应用波长的波片延迟量。测量值与理论值最大偏差不超过1.17 nm,延迟精度优于λ/300。本文方案实现了高速、高精度和高灵敏的波片参数测量,可为波片加工测试和实验定标提供有效手段。     

基于弹光调制的高灵敏旋光测量

为了实现连续稳定、高速、高精度和高灵敏度的光学旋光测量, 考虑到弹光偏振调制技术具有高的调制频率、调制纯度、调制精度和良好的调制稳定度等应用优势, 设计了一种基于弹光调制的旋光测量新方案. 检测激光经起偏器、测量样品、弹光调制器和检偏器到探测器的光路设计, 使得测量系统选用较少的光学器件, 最大化地降低了光学器件可能引入的测量误差; 起偏器和检偏器偏振轴相对于弹光调制器快轴方向分别取0°和45°的光学安排, 并选择弹光调制的二倍频信号作为研究对象, 有效避免了弹光调制器剩余双折射对旋光样品测量的影响, 提高了旋光测量精确度; 将探测器输出调制信号的直流和交流分开输出, 并将交流信号进行前置放大处理, 然后再锁相输出, 进一步提高了测量灵敏度. 设计了将激光调制为圆偏光, 然后精确调节起偏器来替代样品的旋光测量验证试验, 确定了系统旋光测量的比列系数, 并且获得旋光测量灵敏度为3.15×10^-7 rad, 测量精度优于0.3%. 所以, 本方案实现了较高灵敏度旋光测量, 有望应用于高灵敏旋光测量领域, 并且本方案的实验可为高灵敏旋光测量系统的定标提供参考.     

双弹光调制广义偏振测量的数字锁相数据处理研究

针对高精度、快速实时的偏振测量需求,提出了一种双弹光差频调制的偏振参量测量方法。对偏振测量原理进行了详细分析,针对双弹光调制器工作控制及信号解调需求,设计了基于数字可编程逻辑门阵列(FPGA)的多通道数字锁相数据处理方案。FPGA提供一定频率占空比的脉冲宽度调制波(PWM),经高压谐振电路输出正弦高压驱动弹光调制器工作,与此同时,探测器探测到的调制光信号经模数转换器(ADC)采集后进入FPGA中。FPGA提供本地参考信号完成多个频率信号的同时解调,进而单次测量便可得到4个斯托克斯分量。搭建了实验系统进行了实验验证,利用旋转1/4波片法建立了偏振产生装置,实现了对线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光的测量。实验结果表明,系统测量的相对误差小于0.8%,重复性标准差小于0.2%,单次测量时间小于200ms,实现了高精度、重复性好、实时的偏振测量。     

基于双弹光差频调制的中红外波片相位延迟高精度测量

提出了一种基于双弹光差频调制的中红外相位延迟精确测量方法。通过两个硒化锌型弹光调制器(PEM)的差频降低系统调制频率,产生载有被测相位延迟的低频调制信号,调制后的1倍差频幅值和2倍差频幅值相除可求得被测波片的相位延迟。该方法可有效抑制光强波动及PEM相位延迟波动对测量的影响,提高测量精度。对测量原理进行了理论推导,设计了硒化锌型PEM和实验系统。实验结果表明,相位延迟测量误差不大于0.004%,灵敏度可达5×10~(-4) rad。     

一种弹光调制器精确定标微系统设计

弹光调制器利用各向同性晶体受迫振动后产生的双折射效应,对入射的偏振光进行相位调制,在偏振调制及测量方面具有重要应用.弹光调制器的相位延迟是其关键指标参数,实际应用时需对驱动电压与相位延迟进行标定.但传统的弹光调制器定标系统中的元件体积较大,且在使用前完成标定,误差大.为了使弹光调制系统能够实现实时定标,达到精确定标的目...     

非线性克尔效应对飞秒激光偏振的超快调制

研究了近红外飞秒激光的偏振在太赫兹频率的超快调制.利用抽运-探测光谱技术,通过改变两个脉冲之间的延迟时间可以控制光脉冲的旋转角.在Li：NaTb（WO₄）₂磁光晶体中观察到探测光的偏振随延迟时间变化的高速振荡,振荡信号的中心频率为0.19 THz.这种超快偏振调制现象可以解释为,抽运-探测实验构置中,前向传播的抽运光诱导的光学克尔非线性引起被晶体远端表面所反射的背向传播的探测光脉冲偏振面的额外旋转.通过改变抽运光的圆偏振旋性可以控制探测光调制信号的相位和振幅.实验结果表明,非线性光学克尔效应可以作为一种全新的手段,在磁光晶体中实现近红外飞秒激光以太赫兹频率的超快偏振调控.这将在超快磁光调制器等全光器件中得以应用.实验结果将有助于偏振依赖的超快动力学过程的研究.     

双弹光级联的差频调制型应力双折射测量

针对光学材料、光学元件的快速、高精度应力测试评估需求，提出了一种基于双弹光级联差频调制的应力双折射测量方案。应力双折射延迟量和快轴方位角信息被加载到差频弹光调制信号中，运用数字锁相技术同时提取弹光调制的差频信号和基频信号，进一步求解出应力双折射延迟量和快轴方位角。对该新方案的原理进行了分析，并搭建了实验系统，对系统初始偏移值进行了实验定标。采用Soleil-Babinet补偿器完成了测量精度和重复性测试，并完成了施加应力样品的应力双折射测试。实验结果表明，该系统的延迟量测量精度为2.3%，延迟量测量重复性为0.032 nm，双折射测量重复性为0.17 nm/cm。此外，单数据点测量时间不超过200 ms。     

双弹光拍频调制型Fourier-Bessel变换成像光谱技术研究

针对现有弹光调制器(photoelastic-modulator, PEM)的调制频率高(几十kHz以上),调制干涉信号频率更高,普通阵列探测器无法有效采集,提出了一种基于双弹光调制器拍频调制和傅里叶-贝塞尔(Fourier-Bessel)变换的光谱测量方法,并结合CCD成像技术构成新型双弹光调制成像光谱技术(dual-photoelastic-modulator-based imaging spectrometer, Dual-PEM-IS)。该方法将双弹光调制器分别工作在数值略有差异的频率上,以对光进行拍频调制,并产生载有被测光的低频调制分量(比驱动频率小2～3个数量级,普通CCD可实现探测),通过对调制信号中的低频成分进行Fourier-Bessel变换可得到目标光谱,使得弹光调制兼具了成像和光谱测量能力。介绍了其原理并推导出光谱反演公式,并通过仿真和实验验证其可行性,分析了光程差的微小偏差对反演光谱造成的影响,为进一步工程化实现提供了必要的理论基础。     

基于光弹调制的运动斯塔克效应诊断

电流密度分布是等离子体物理研究的关键分布参数,在托卡马克先进运行模式发展,电流驱动,约束与输运等方面发挥着重要的作用。中性束与等离子体相互作用产生的分裂光谱,包括σ分量与π分量,水平观测时,σ分量的偏振方向垂直于等效电场的方向,π分量的偏振方向平行于等效电场的方向,通过测量分裂光谱的偏振方向可以反演出等离子体电流密度分布。基于光弹调制器的偏振检测系统具有检测精度高、时间响应迅速的独特优点,非常适用于等离子体电流快速变化下的电流密度分布测量。光弹调制器的双折射晶体在周期性外部驱动源的作用下发生弹性形变,其折射率会产生周期性的变化,当偏振光通过时,出射光的偏振特性将相应产生周期性变化,再经过偏振片,形成调制的光强变化。运动斯塔克效应(MSE)诊断的偏振检测系统由两个光弹调制器(PEM)和一个偏振片组成,通过检测不同调制频率的调制强度的比值,从而快速、精确地获得分裂光谱的偏振方向的实时变化,进而得到等离子体电流密度分布。详细介绍了东方超环托卡马克(EAST)装置上的MSE诊断,初步完成了离线测试与标定,参与中性束电流本文驱动物理实验,初步获得了等离子体电流密度分布的信息。     

大光程差弹光调制干涉仪的温度补偿策略及实现

针对大光程差弹光调制干涉仪工作中的温漂问题,提出了一种包含电压和相位补偿的温度补偿控制策略。首先,根据相似与模化理论,建立了弹光调制干涉仪机械特性的等效电路模型,分析了温度对弹光调制干涉仪谐振频率的影响,建立了驱动电压、频率和谐振频率之间的数理模型,确定了大光程差条件下达到稳定状态的控制方法;然后,将数字锁相环技术与电压和相位补偿程序相结合,给出了包含电压和相位补偿的光程差偏移数字式控制设计方法;最后,将包含电压和相位补偿的数字式驱动控制系统与传统的模拟驱动控制系统进行对比测试,采用激光多普勒测振仪记录3小时内光程差偏移量。结果表明,该方法将长时间工作中温漂造成的光程差偏移率降低了约50%。     

旋光-电光晶体的电光调制特性及π-电压

分析旋光-电光晶体的电光相位以及强度调制特性,并定义晶体的π-电压。对于具有旋光性的电光晶体,以往半波电压的概念不能准确描述其电光偏振、强度调制的周期性,因而引入π-电压这一概念,并将其定义为此类晶体的椭圆双折射相位延迟变化量等于π时所需要的调制电压。对于置于两个偏振器之间的旋光-电光晶体强度调制器,旋光性可以为电光强度调制提供光学偏置,但调制光强度是调制电压的偶函数,只有当检偏器的主透光方向平行或垂直于晶体出射线偏振光波的偏振方向时,才能实现完全的电光开关。当将此类晶体用于电光开关时,可定义能够实现完全开关状态转换所需要的最大调制电压为开关电压。通过实验测量了一块尺寸为6 mm×4 mm×2.9 mm的硅酸铋(Bi_(12)SiO_(20))晶体的π/4-电压,对于635 nm的光波长,π/4-电压约为3 kV。对于具有旋光性的弹光调制器,可以引入π-应力和π-应变的概念。     

新型光弹调制干涉具研究

针对单个光弹调制器((Photoelastic Modulator,PEM))干涉具受到材料本身热、力学的限制,产生的最大光程差小,而多个PEM串联又难以控制,且多个PEM界面的多次反射将使光能大量损失等缺点,提出一种在单PEM上贴全反射膜经过多次反射有效提高最大光程的方法。理论推导分析了不同反射情况对光程差的影响,并得到任意角任意位置入射经多次反射后产生最大光程差的公式与光谱反演公式,且通过COMSOL、MATLAB、ZEMAX仿真和实验验证其可行性。实验选用的弹光晶体为硒化锌(ZeSe),压电晶体为石英,结果显示实验与理论的相对误差为0.21%,为该方法的工程应用提供了参考。     

弹光调制器动态参数测量与高效驱动匹配研究

为了提高弹光调制器（photoelastic modulator,PEM）的驱动效率,提出了一种基于PEM动态参数测量的阻抗匹配参数计算方法。理论分析了PEM调制幅度与驱动电压大小的关系,建立了PEM及其谐振匹配网络的等效电路模型,在此基础上推导了PEM谐振驱动电压与各个参数的关系,并设计了针对PEM动态测试的测量系统与验证方法。对谐振频率为44.822 kHz的PEM进行各项特性曲线的理论仿真与试验比较,验证了动态测量系统的可靠性,并通过数值仿真得到PEM最优匹配参数。在最优匹配参数附近选取不同匹配参数,测量实际谐振驱动电压,测量结果与仿真曲线相关性达0.996 4,变化趋势在10μF前基本吻合,且在理论最优匹配参数下,实际谐振驱动电压峰值达510 V,优于其他驱动匹配方法,接近理论最大值,相对误差小于1.16%。通过PEM等效动态参数推算的最优匹配参数,可使PEM达到最大驱动效率。