使用自聚焦透镜测量小位移的新方法

提出一种使用自聚焦透镜构成的光强度调制的光学位移测量原理，利用发光二极管作光源，光从第一根自聚焦透镜发出，然后受到反射镜的反射而进入第二根自聚焦透镜，当反射镜有小位移时，进入第二根自聚焦透镜的光强度被调制，用光电管检测光强度的变化，可以确定位移的大小。根据该原理，位移分辨率的理论值可达１０＾－９ｍ，实验测量的位移分辨率为１０＾－８ｍ，该原理亦可用于测量小振动和压力等量。     

一种球面透镜波前畸变的绝对检测方法

球面透镜的透射波前畸变是影响激光驱动器光束质量的重要参数。采用移相干涉仪检测球面透镜波前畸变时,测量结果的精度受限于标准球面镜头和后置平面反射镜的精度。然而,现有的绝对检测技术仅适用于反射元件。为了满足球面透镜波前畸变的高精度检测需求,提出了一种适用于球面透镜透射波前的绝对检测方法:三位置 平移相减法。详细介绍了三位置 平移相减法的原理,对其进行了模拟仿真和实验验证。仿真结果显示:三位置 平移相减法的仿真误差为10 nm~13 nm,达到高精度测量的理论要求;实验结果表明:三位置 平移相减法可以有效地减小前标准球面镜头和后置平面反射镜对测量结果的影响,该方法对球面透镜的加工和装调具有很好的指导意义。     

扭曲光束的产生及表征

对于光斑主轴在传输过程中不停变化的扭曲光束,采用光斑主轴方向上的光束传输比对光束质量等特性进行表征和描述并不全面。针对扭曲高斯光束,在光束传输矩阵的理论计算的基础上,研究了通过双柱透镜产生扭曲光束的方法;推导得到了光束在交叉方向上光束传输比的表达式,并定义了一个新的物理量-光束的扭曲系数;分别采用光束传输矩阵和数值模拟,得到了不同柱透镜之间夹角和间距下的扭曲系数,通过光束传输比和扭曲系数共同对扭曲光束进行表征。结果表明,相比于单纯的光束传输比,两者的组合能够更好地对扭曲光束进行表征。通过实验对理论和仿真结果进行了验证,理论结果和实验结果相符。     

基于法布里−珀罗标准具的微小角度测量及不确定度评定方法

研究了一种基于法布里?珀罗标准具多光束干涉成像的微小角度测量方法.通过计算同心干涉圆环圆心位置变化量(圆心位移量)和成像物镜焦距,实现反射镜微小偏转角度的测量.采用相对测量原理,构建了基于圆心位移量不确定度分量和成像物镜焦距不确定度分量的微小角度测量不确定度评定模型.选取2 mm间隔的F-P标准具进行微小角度的测量实验...     

光学相干层析系统的耦合效率分析

在高斯光束传输理论的基础上，利用矩阵光学原理和高斯光束耦合理论，得出光学相干层析系统中参考反射镜的空间位置对系统耦合效率影响的表达式，并用计算机模拟系统的耦合效率与参考反射镜和棒透镜间的距离及参考反射镜偏转角度的关系曲线。实验结果和理论分析相符合。     

基于Talbot-Moiré法的长焦透镜焦距

 长焦距测量的Talbot Moiré法是研究热点,目前很多方法虽然都是基于Talbot现象和Moiré技术,但基本原理和实验方案各不相同,因此焦距计算公式也不相同。基于透镜位相变换作用,利用Talbot效应和Moiré条纹,通过图像处理的方法获得条纹的斜率变化,根据焦距与莫尔条纹斜率之间的关系求得透镜焦距。由于长焦透镜的焦距相对于被测透镜厚度大得多,完全可以看作是薄透镜对光束的变换,可用薄透镜对球面波的变换作用来近似表示其对高斯光束的变换。因此,该方法测量长焦透镜焦距对于高斯光束与非高斯光束焦距测量结果无差别,均适用。最后全面分析了该测量方法的误差及精度极限。在影响测量精度的各个误差因素中,光栅节距误差对焦距测量的影响最为显著。     

基于Shark-Hartmann理论的波前探测技术研究

精确的波前探测是反射镜面型检测及光束波前畸变测量的重要依据,论文根据Shark-Hartmann理论对波前探测技术进行了模拟和实验研究。将平行光经过球面透镜/柱面透镜后形成的球面波/柱面波作为探测波前。实验采用商用的微透镜阵列和CCD搭建Shark-Hartmann传感器,利用实际光束作为参考光,避免了参考光的不准直性对实验的影响。模拟计算结果表明平均曲率误差为13.423 mm,实验结果实现了对球面/柱面/倾斜波的探测及复原。     

基于Talbot-Moiré法的长焦透镜焦距测量的极限精度分析

长焦距测量的Talbot-Moiré法是研究热点,目前很多方法虽然都是基于Talbot现象和Moiré技术,但基本原理和实验方案各不相同,因此焦距计算公式也不相同。基于透镜位相变换作用,利用Talbot效应和Moiré条纹,通过图像处理的方法获得条纹的斜率变化,根据焦距与莫尔条纹斜率之间的关系求得透镜焦距。由于长焦透镜的焦距相对于被测透镜厚度大得多,完全可以看作是薄透镜对光束的变换,可用薄透镜对球面波的变换作用来近似表示其对高斯光束的变换。因此,该方法测量长焦透镜焦距对于高斯光束与非高斯光束焦距测量结果无差别,均适用。最后全面分析了该测量方法的误差及精度极限。在影响测量精度的各个误差因素中,光栅节距误差对焦距测量的影响最为显著。     

莫尔条纹技术的三维测角方法研究

针对传统莫尔条纹技术在测量物体偏转角度中不能对多维角度变化进行测量的问题,采用了一种分区间设计的组合光栅方法,并结合光学自准直成像方法构建了一种新的实验系统装置,利用该系统通过测量莫尔条纹的变化实现了对被测量物体偏转角度的三维测量,对合作光学反射镜的偏转角度测量精度优于1”,绕轴转动测量精度优于2”。     

利用柱透镜调控涡旋光束的拓扑结构

提出了一种利用柱透镜调控涡旋光束拓扑结构的方法.利用计算全息法制作的叉形光栅掩模板,实验获得了具有不同拓扑荷的涡旋光束,分析了涡旋光束通过柱透镜变换后的强度和相位分布.结果表明,涡旋光束经柱透镜变换后,其拓扑荷符号将发生改变,并且高阶涡旋光束退化为多个分离的一阶涡旋光束.利用高阶激光模式的线性叠加特性以及古依相移对实验结果进行了理论解释,并通过数值模拟对实验结果进行了验证.     

一种基于光栅的滚转角测量新方法

提出了一种利用一维平面透射光栅作为敏感器件的滚转角测量新方法。利用聚焦透镜及光电位置探测器组成接收测量单元, 避免了直线度误差带来的影响; 利用光栅的±1级衍射光束构成双光路差动测量, 基本避免了俯仰、偏摆角的串扰, 实现了误差分离, 同时增强了抗干扰能力。通过详细的理论分析, 论证了方案的可行性, 并在此基础上通过实验得到了定标曲线, 其线性相关度为1, 滚转角测量的角度分辨率可以达到0.6″。测量方法简单灵活, 仅需更换不同线数的光栅便可满足不同测量精度的要求。     

轮廓仪在柱面镜检测中的应用

目前柱面镜检测的主要方法是样板比较法和干涉法。样板法对球面、柱面样板均有较高要求,而干涉法也需合适的高要求的辅助镜,并且对环境要求较严格。提出了用轮廓仪配用合适工装检测柱面镜的方法,该方法简洁、直观、快速,对环境要求较低。分析了该方法的检测误差,实验验证了分析的正确性,指出高精度轮廓仪在一定范围内能保证柱面镜的检测精度。这种方法不仅适用于零件的最终检测,也适用于加工过程中的检测。     

飞机风挡玻璃光学角偏差测量的研究

介绍一种新的测量飞机风挡玻璃光学角偏差的方法和全自动测量装置。与现行的角偏差自动测量方法相比,这种方法的物理意义清晰、样件被测量位置明确、测量结果准确度高。标靶采用针孔而不是十字叉丝或“L”形。采用钨灯和投射透镜产生准直白光,用CCD探测器作为光斑位置传感器在成像透镜的后焦面测量光斑位置的变化,从而可得光学角偏差。测量系统通过标准样品可溯源到国家角度基准。分析表明：测量系统的测量不确定度达到7.3″(k=2)。     

Simple and high efficient optical trapping using a cylindrical lens and a single plane wave of incidence

We suggest a simple and high efficient method for trapping particles in the evanescent field. In this method, a single plane wave is normally incident on the cylindrical surface of a cylindrical lens and then incident on the plane surface of the lens at an angle larger than the critical angle. Multiple reflections of light within the cylindrical lens create two evanescent waves with different directions in the transmitted field. Interference of two evanescent waves comes into being a standing wave which can stably trap particles close to the top of the cylindrical lens. Based on the Rayleigh approximation, we obtain analytical expressions of optical force acting on a Rayleigh particle placed in the vicinity of the lens. We find that the trap stiffness and trap depth is dependent on the radius of the cylindrical lens, wavelength and polarization of light, and incident angle at the lens–liquid interface.     

角锥棱镜用于激光直线度测量的特性分析

对角锥棱镜用于激光直线度测量时可使测量精度提高一倍的光学特性进行了分析。分析了角锥棱镜的制造角差、面形误差和测量过程中角锥棱镜的偏摆、俯仰、滚转对直线度测量的影响。用实验验证了分析结果。分析结果为角锥棱镜用作激光直线度测量时的误差分析和误差补偿提供了理论依据。     

一种同时测量平行偏差、倾斜偏差的方法

提出了一种仅由接收物镜和CCD构成的接收器,通过物镜位置的调整,可以同时完成平行偏差（平偏）和倾斜偏差（角偏）这两个参量的测量.通过对系统像差的分析,提出了可显著降低物镜像差对测量结果影响的算法.理论和实验数据表明,对于平偏测量范围为±10 mm、角偏测量范围为±2°、接收物镜焦距为50 mm、CCD尺寸为1/1.6 inch的系统,平偏测量准确度可达0.02 mm,角偏测量准确度可达9.5″.     

用液芯柱透镜快速测量液相扩散系数-折射率空间分布瞬态测量法

本文提出了一种快速测量液相扩散系数的方法, 该方法以液芯柱透镜作为液相扩散池和成像元件, 利用柱透镜成像过程中特有的折射率空间分辨测量能力, 只需记录一幅瞬态扩散图像, 根据图像的像宽与折射率的对应关系, 基于扩散定律快速计算出液相扩散系数. 实验研究了室温(25℃)下乙二醇和纯水间的扩散过程, 用折射率空间分布法测量了扩散系数, 和其他测量方法得到的结果进行了分析对比, 结果表明:用折射率空间分布法测量液相扩散系数具有数据采集耗时短(～20 ms)、测量速度快(<1 s)、精度高(相对误差<3%)和操作简单的特点, 为快速测定液相扩散系数提供了一种有效的新方法.     

Roll angle measurement based on common path compensation principle

We propose a novel and compact roll angle displacement measurement method based on collimated laser position measurement and the common path compensation principle. The principles of the roll angle displacement measurement and the common path compensation are analyzed. The feasibility of the measurement method is verified, and the experimental results revealed a linear correlation coefficient of 0.99995 between the relative displacement of the measuring beam spot and the angular displacement. Furthermore, the theoretical measurement resolution is 0.013  arcsec. To test the performance of the compensation, a series of experiments, including one system stability experiment and two different environmental interference experiments, were performed. The experimental results indicated that the standard deviations of the measuring beam spot’s angular drift were improved by 82.6–87.2%. Thus, the stability of the system and the measurement resolution were improved.     

Measurement of cylindrical Rayleigh surface waves using line-focused PVDF transducers and defocusing measurement method

Line-focused PVDF transducers and defocusing measurement method are applied in this work to determine the dispersion curve of the Rayleigh-like surface waves propagating along the circumferential direction of a solid cylinder. Conventional waveform processing method has been modified to cope with the non-linear relationship between phase angle of wave interference and defocusing distance induced by a cylindrically curved surface. A cross correlation method is proposed to accurately extract the cylindrical Rayleigh wave velocity from measured data. Experiments have been carried out on one stainless steel and one glass cylinders. The experimentally obtained dispersion curves are in very good agreement with their theoretical counterparts. Variation of cylindrical Rayleigh wave velocity due to the cylindrical curvature is quantitatively verified using this new method. Other potential applications of this measurement method for cylindrical samples will be addressed.     

External-cavity birefringence feedback effects of microchip Nd:YAG laser and its application in angle measurement

External-cavity birefringence feedback effects of the microchip Nd:YAG laser are presented. When a birefringence element is placed in the external feedback cavity of the laser, two orthogonally polarized laser beams with a phase difference are output. The phase difference is twice as large as the phase retardation in the external cavity along the two orthogonal directions. The variable extra-cavity birefringence, caused by rotation of the external-cavity birefringence element, results in tunable phase difference between the two orthogonally polarized beams. This means that the roll angle information has been translated to phase difference of two output laser beams. A theoretical analysis based on the Fabry--Perot cavity equivalent model and refractive index ellipsoid is presented, which is in good agreement with the experimental results. This phenomenon has potential applications for roll angle measurement.