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.     

基于符合测量机制的光学信息保护

提出了一种基于符合测量机制的光学信息保护方法.发送方选择一定的载波信号将待传输的信息加载在待成像的物体上,接收方进行符合测量,并根据双方之间的协议从测量得到的物体的空间分布信息中解密出信息.计算机仿真结果表明,该方案能够成功实现信息的保护,具有良好的安全性.     

高灵敏度的量子迈克耳孙干涉仪

迈克耳孙干涉仪不仅可以用来研究物理学的基本问题,而且能够用于精密测量,比如引力波信号的测量.因此,构建高灵敏度的迈克耳孙干涉仪是实现微弱信号测量的关键.目前,人们利用压缩态可以降低迈克耳孙干涉仪的噪声;通过光学四波混频过程能够放大马赫·曾德尔干涉仪中的相位信号,从而提高干涉仪的信噪比和灵敏度.本文研究了一种用于高灵敏度相位测量的量子迈克耳孙干涉仪.在迈克耳孙干涉仪中,利用非简并光学参量放大器取代干涉仪中的线性光学分束器;并且将压缩态注入干涉仪的真空通道,可以得到高信噪比和高灵敏度的干涉仪.由于存在不可避免的光学损耗,分析了迈克耳孙干涉仪内部和外部的损耗对相位测量灵敏度的影响.通过理论计算研究了干涉仪的相位测量灵敏度随系统参数的变化关系,得到了高灵敏度的相位测量量子迈克耳孙干涉仪的实现条件,为用于精密测量的干涉仪的设计提供了直接参考.     

大气光学湍流光纤测量技术中的解调算法研究

介绍了直接调制光源型光纤Mach-Zehnder干涉仪测量大气光学湍流的原理,并对其中的载频调制和解调的过程进行了深入的研究.通过计算机对光学湍流随机相位起伏、载频调制与解调过程的模拟证明了直接调制光源型光纤Mach-Zehnder干涉仪测量大气光学湍流的可行性,提出大气光学湍流光纤测量技术中的一种新的信号处理方法.     

一种精确测量光学球面曲率半径的方法

在简要总结各种检测光学球面曲率半径方法优缺点的基础上,提出了利用激光跟踪仪和激光干涉仪测量光学球面曲率半径的新方法。首先,通过激光跟踪仪精确定位测量干涉仪出射球面波前的焦点和待测球面镜的曲率中心点坐标,再调整待测球面镜与干涉仪的相对位置,使待测球面镜达到零条纹干涉状态,用激光跟踪仪测定此时待测球面镜上多点的位置坐标,通过计算分析即可得到待测球面镜的曲率半径。研究和分析了这种测量光学球面曲率半径方法的基本原理,并提出了针对凸球面镜曲率半径的多区域测定平均综合优化的方法。结合实例对一口径为400mm的球面透镜进行了曲率半径的测量,测量得到其两面曲率半径分别为1022.283mm(凸面)和4069.568mm(凹面),并将该透镜进行了轮廓法测量对比,其相对误差都小于0.05%。     

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。     

偏振激光干涉仪的非线性误差实时校正方法

提出一种偏振激光干涉仪的误差校正方法,可实时地对干涉信号的非线性误差进行校正。由于单频激光干涉仪中的光电元件存在的参数误差和位置误差以及外界环境因素的影响,使得输出的4路干涉信号的正交性受到破坏,产生了非线性误差。基于椭圆匹配原理,给出了非线性误差的校正算法和判据。对干涉信号的参数特征进行实时地统计与估值,并借助于对干涉条纹实现16384点细分,从而得到皮米级的位移测量分辨力。搭建了零差偏振激光干涉仪及振动实验装置,对校正前后的信号进行了对比实验。结果表明,经过非线性校正干涉仪信噪比提高超过30dB,测量的分辨力优于10pm/Hz1/2。     

光学干涉仪测量极限的本科实验教学演示研究

光学干涉仪是广泛应用于量子精密测量的一种重要的光学仪器,然而由电磁场真空涨落引起的光量子噪声,限制了光学干涉仪的测量精度。为了获得更高的测量精度,测量并分析光学干涉仪的性能成为必然,其中信噪比和最小可探测值是目前最常用的分析光学干涉仪性能的主要参数。然而,在目前本科实验教学中,光学干涉仪通常被用于观察光干涉原理,缺乏对光学干涉仪性能分析的实验演示,因此本文利用Mach-Zehnder干涉仪,测量相位调制器引起的相位差变化,实现光干涉原理验证的同时,重点演示了光学干涉仪信噪比和最小可探测值的测量方法。通过本实验,本科生一方面可以直观地掌握光学干涉仪性能参数的测量方法,另一方面掌握提高测量精度的实验技术手段,为量子精密测量技术的进一步发展提供人才储备。     

压缩态光场平衡零拍探测的位相锁定

平衡零拍探测是测量量子光场的重要方法之一. 通过对相位灵敏光学参量放大器注入的信号进行位相调制, 然后利用平衡零拍探测系统测量光学参量放大器输出的压缩光. 将相位灵敏光学参量分别运转在参量放大和参量缩小, 通过观察噪声谱中的调制信号就可确定测量的量子光场是正交振幅或位相分量. 通过解调位相调制信号可获得误差信号, 实现锁定平衡零拍探测系统本底光与待测光场相对位相为零(对应于待测光场振幅噪声分量). 关键词： 平衡零拍探测 位相锁定     

基于PASCO平台的透明材料折射率的测量

将迈克耳孙干涉仪和PASCO实验平台相结合,设计了一种高精度、高效率测量透明材料折射率的方法.首先分析PASCO迈克耳孙干涉仪测量材料折射率的原理,然后利用高性能PASCO传感器和计算机对干涉条纹进行图像采集和数据处理,得到待测透明材料的折射率信息.最后对材料折射率的不确定度进行探究.实验结果表明,旋转角度θ对折射率的不确定度影响最大,厚度d次之,干涉条纹计数K影响最小.PASCO实验平台配合迈克耳孙干涉仪可以准确、高效的记录干涉条纹在"吞吐"时光强的变化,降低条纹计数测量的不确定度,从而提高透明材料折射率的计算精度.同时该方法还可用于和透明材料折射率相关的其他特性的测量.     

光纤Mach-Zehnder干涉仪系统

介绍了光纤Mach-Zehnder(MZ)干涉仪系统的结构.给出了光纤Mach-Zehnder干涉仪系统中信号光与参考光的干涉原理以及影响干涉光强的因素.同时也分析了光纤耦合器的交叉耦合,另外也给出了PZT的作用.阐述了光纤偏振控制器的结构、工作原理及其对光纤Mach-Zehnder干涉仪系统传感臂偏振态的控制,最后给出了光纤Mach-Zehnder干涉仪系统的应用.     

基于迈克耳逊干涉仪的空间调制型干涉成像光谱仪

试制了一台基于迈克耳逊干涉仪的空间调制型干涉成像光谱仪原理样机。样机将迈克耳逊干涉仪光路中的一面反射镜偏转一个小角度,使经两平面镜反射后的两束光波面之间产生一维连续的光程差,在图像传感器的像面上形成空间调制干涉条纹,构成空间调制型干涉成像光谱仪。一系列原理验证性实验表明:光谱仪原理正确可行,实验结果与理论相符,并且具有高通量,高信噪比,大视场和体积小,重量轻的优点。     

Time-resolved spectral analysis of transient processes in Fabry-Perot interferometers

Parameters of a spectrochronograph that represents a Fabry-Perot interferometer combined with a spatial-time analyzer (a streak camera) are analyzed. Using numerical simulation, time scans of interferograms for bandwidth-limited and phase-modulated pulsed optical signals are obtained. The conditions are determined under which a Fabry-Perot interferometer represents a high-accuracy instrument for measuring the timeresolved spectral dynamics of short optical signals. In particular, an adequate representation of relatively smooth and monotone changes in amplitude and phase characteristics of an optical signal in a spectrochronograph requires that the mode lifetime in a Fabry-Perot interferometer be matched to the time scale of changes in the spectral structure of a pulse being studied. The character of distortions formed in the time-resolved spectral patterns in the case where these conditions are not fulfilled is qualitatively determined, and quantitative estimates of the distortions are presented. The results of the analysis and the numerical calculations show that a spectrochronogram obtained using a Fabry-Perot interferometer and a time analyzer (a streak camera) with parameters corresponding to the criteria formulated in the paper enable one to obtain information on the initial amplitude-phase pattern of a light pulse.     

光纤超外差干涉测量系统的研究

提出了一种用于绝对距离测量的光纤超外差干涉系统,简述了该方案的原理,给出了信号处理的框图,并进行了初步实验。对系统的误差分析表明,在光强较弱、信噪比差的情况下,光学元件的非理想特性以及测量信号与参考信号之间的耦合是引起测量误差的主要原因。     

Random partial diffuser as beam splitter in a new,common path interferometer

Use of a random partial diffuser is suggested as a beam spitter. An aberration-free reference beam coaxial with the test beam is obtained when the latter converges on the diffuser. Based on this principle, an interferometer has been realised for absolute measurements with a sensitivity equal to that of a Mach-Zehnder interferometer. A large variety of optical components can be tested by this simple and inexpensive interferometer which could replace the already existing ones in optical workshops.     

基于重采样技术的调频连续波激光绝对测距高精度及快速测量方法研究

调频连续波激光测距方法可以实现高精度的大尺寸绝对距离测量, 且测量过程无需合作目标, 在大空间坐标精密测量领域有很高的研究价值. 而如何提高测量分辨率和实用化一直是近年来调频连续波激光绝对测距研究的热点. 本文研究了调频连续波激光测距的原理, 基于双光路调频连续波激光测距系统, 提出了通过信号拼接提高测量分辨率的信号处理优化方案, 该方案可以提高测距分辨率, 且可以降低对激光器的性能要求; 提出了可实现高速测量的简易测量方法. 设计加工了双光路光纤调频连续波激光测距系统, 利用该系统进行了测距分辨率及测距误差标定实验, 实验结果表明: 优化方案可以有效地提高测量分辨率和测量效率, 在26 m测量范围内, 测距分辨率达到了50 μm, 测距误差不超过100 μm; 快速测量方案有较高实用价值.     

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。     

基于人工神经网络的大量程光纤实时距离干涉测量仪

提出了一种基于人工神经网络的全光纤化大量程实时距离干涉测量仪.采用双正弦相位调制方法,即通过同时调制半导体激光器的波长和干涉仪的光程差实现外差测量.为了扩大干涉仪的测量范围和消除输出信号中的交叉敏感,采用人工神经网络进行信号处理,把两路经过初步解调的干涉信号作为输入样本,物体距离的实际值作为输出样本,对神经网络进行训练,以使其具有良好的推广能力.实验结果表明神经网络的使用不仅扩大了距离的测量范围而且提高了测量精度.