基于复合干涉的光纤低相干干涉传感系统研究

研究一种能够进行远程及绝对测量的光纤低相干干涉传感系统。该系统包含两个光纤干涉仪,其中一个光纤干涉仪置于被测场中感应被测量的变化,可实现远程测量;另一个光纤干涉仪解调被测量的值。运用波分复用技术,使用于解调的光纤干涉仪同时工作于低相干干涉和高相干干涉状态。用低相干干涉信号决定被测量的幅值,对被测量实现绝对测量,并使测量量程不受波长限制;同时,用高相干干涉信号对被测量进行高精度的测量。系统的测量量程为6mm,测量分辨率小于1nm,位移实验结果的线性相关系数R为0.99。     

基于外差干涉的微振动测量技术研究

针对外差干涉的微振动测量存在稳定性低、严重受环境噪声影响等缺点,提出了对光路的改进方案。根据差分原理将其改为双光路,消除环境噪声的干扰;通过偏振分光棱镜（PBS）将椭圆偏振光变为线偏光,提高干涉信号幅值;改进频移装置(AOM),抑制频率漂移;增加光阑,滤除杂散光,提高系统信噪比。通过探测5 kHz压电陶瓷振动信号,以及2.5 MHz高频激光超声信号进行实验验证,结果表明:信号稳定且无纹波,系统分辨率为2.3 nm,信噪比提高16.7倍。两路干涉信号幅值分别为552 mV和736 mV,较传统外差干涉信号幅值提高近10倍,有利于纳米量级微振动信号的检测。     

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。     

准相干干涉法测量光纤群折射率

介绍了用准相干干涉法测量光纤群折射率的方法。通过准相干干涉定位 ,用精密光栅数显系统测长 ,由计算机采集并处理数据获得一段短光纤的光学长度 ,然后利用常规精密测长手段测得其几何长度 ,从而得到光纤的群折射率。实验结果及误差分析得出 :测量不确定度优于 7× 10 -5(2σ)。     

基于低相干干涉技术的大量程高精度镜面间距测量

描述了利用低相干干涉技术实现光学镜面间距测量的方法。首先,采用微机电系统(MEMS)光开关多通道延迟结构实现测量范围的多倍增,然后通过共光路激光测距结构实现扫描反射镜的位移测量,再利用包络提取算法对低相干干涉信号的零光程差位置进行定位,最后实现镜面间距的高精度测量。实验测量系统为全光纤结构,利用该系统完成了对因瓦合金(Invar)标准块、大间距光学结构和光学镜组的镜面间距测量,在导轨扫描量程为300mm的条件下,实现了在0.02~550mm范围内的镜面间距测量,测量精度优于0.5μm。该套系统可用于光刻机曝光系统、航测镜头、激光谐振腔等高性能精密光学系统的装调与检测。     

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。     

基于光纤三波长激光自混合干涉的绝对距离测量系统

研究了一种基于光纤三波长激光自混合干涉的绝对距离测量系统.系统中的光纤激光器包含三个独立的激光谐振腔,每个激光谐振腔都有作为增益介质的掺铒光纤,三个激光谐振腔利用光纤光栅作为反射镜及波长选择元件,光纤激光器能同时发出无模竞争的频率和功率都稳定的三波长激光.利用三波长激光的自混合干涉,以及干涉信号的相位小数重合方法,实现绝对距离测量.为实现绝对距离测量,三个波长中两相邻波长间距应为相等.实验中,两相邻波长间距约为10nm.系统对公称高度为11mm修正值不大于2.7μm的台阶高度进行测量,测量结果为11.000 059mm.对13.000 090mm绝对距离重复测量20次的标准差为4.4nm.     

高精度动态光纤应变传感研究

传统的光纤应变传感技术无法在满足高精度和强环境适应性的同时实现稳定的动态应变传感.为了解决该问题,本文将光干涉原理应用于光纤应变传感,设计了一种强环境适应性的基于干涉结构的高精度光纤应变传感系统,基于扫频干涉信号的互相关系数,该系统可以稳定地探测应变.本文还提出一种动态探测算法,该算法弥补了系统只能探测较小应变的缺陷,大大提升了实际应变的探测范围,同时还实现了动态的应变检测;采用三次样条插值算法,提升了小应变探测的精度.理论分析和仿真模拟表明,在加入白噪声的信号信噪比为15dB时,插值后的探测精度是未插值探测精度的2.3倍,插值后本系统探测结果的最大误差只有约9nε.     

双波长绝对距离外差干涉仪的研究

提出了一种采用双纵模稳频激光器的新型绝对距离测量外差干涉仪。该干涉仪探测两个波长各自的外差信号, 通过测量两信号的相位差, 直接测量出合成波的小数级次。指出了两波长间的相互耦合对测量精度的影响, 提出了补偿方法, 在２５ ｍ 的测量范围取得了 １４０ μｍ 的测量精度。     

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.     

基于光纤声光调制的轮廓检测技术研究

为实现对工件表面微观形貌测量系统要求远距离传输、实时在线及非接触测量,同时达到高精度、高分辨力、高信噪比测量,提出基于声光调制的光纤外差法轮廓检测技术,采用外差法可有效抑制随机噪声,提高信噪比,通过原理分析建立数学模型;系统设计画出工件表面粗糙度测量框图;实验测量得出被测工件表面粗糙度,分辨力达到1 nm;讨论了不确定度来源及控制方法,测量精度为1。实验结果表明:外差法、声光调制及光纤测试技术可有效降低噪声、提高分辨力和测量精度。     

基于FDTD的高深宽比沟槽结构低相干显微干涉信号仿真分析

低相干垂直扫描干涉技术是微结构形貌特征参数无损检测的有效手段。但当微结构的沟槽深宽比高于5∶1时,遮挡效应以及阶跃边缘复杂的衍射效应会导致本应仅包含一个包络的垂直扫描测量干涉信号异常,形成两个甚至多个包络,继而影响形貌检测结果。本文解析低相干垂直扫描干涉的测量过程,采用时域有限差分法对低相干显微干涉测量系统的显微成像、相干扫描测量过程进行数值仿真,计算待测微结构表面返回场及显微成像后的像面干涉场,得到低相干显微干涉信号。分别仿真了深宽比为5∶1、80∶3的硅基沟槽微结构的干涉信号,并与实验室自研的Linnik型低相干垂直扫描干涉系统对沟槽微结构的检测信号进行对比,匹配其高深宽比沟槽结构干涉信号的双包络及幅频双峰性的特征,验证所提方法的准确性。该仿真方法可应用于实测前对被测结构低相干显微干涉信号的先验性仿真计算,通过提前分析信号特征,为形貌复原算法的选取及改进指引优化方向。     

基于激光外差干涉术的薄膜厚度测量方法

针对光学薄膜厚度测量困难问题，提出了一种基于激光外差干涉术的薄膜厚度测量方法。采用经典迈克尔逊干涉光路，利用外差干涉原理将薄膜厚度差转换为光程差，以精密位移平台为扫描机构实现薄膜厚度的逐行扫描测量。测量系统在恒温实验条件下20 min内的漂移不超过8 nm，测量结果平均差小于1 nm，通过与椭圆偏振仪的测量结果比较，测量差值为12.97 nm，表明了该方法的可行性。     

全光纤低相干光纤位移传感技术

提出并演示了一种由两光纤构成的杨氏干涉解调系统的全光纤低相干光纤位移传感器系统。该技术从根本上避免了光源频率、光强的波动，及光在传输过程中由系统带来的损耗、光的偏振方向的改变引起的信号衰落问题。其结构简单，易于调整，测量分辨率可达０．０５４ｍｍ。     

双通道符合计数光子外差探测系统仿真构建与研究

本文提出将符合测量方法用于光子外差测速技术中,将光子符合计数模式应用于光子外差测速系统,能够在一定程度上减少背景噪声、暗噪声和后脉冲带来的光子误计数,提高信噪比等测速性能。基于外差原理与单光子探测的泊松响应,以及光子符合计数原理,本文仿真研究了双通道符合计数光子外差系统的性能,利用1550 nm连续波激光器探测匀速运动目标,结果表明,双通道符合计数模式下中频信号功率谱的信噪比明显高于单通道自由运行模式和一阶滤波下的功率谱信噪比。随着信号光子数增加,两种计数模式的信噪比能够相差2～3 dB。针对该方法,又进一步通过仿真研究了本振光强、背景噪声、中频频率、探测时长四个因素对双通道符合计数光子外差测速系统性能的影响。结果表明,随着本振光强与信号光强的比值逐渐增大,系统信噪比先增大后减小,在kL=3附近时达到最大;背景噪声越大,饱和信号光子数越大,饱和信噪比越低;探测时长越长,饱和信噪比提高幅度越大;而在探测带宽之内,中频频率也即运动目标的速度对结果影响较小。本文从改变前端光子计数模式的角度提高光子外差探测系统的性能,为提高光子外差测速的信噪比拓宽了思路。     

共路径光相干成像系统光纤探头的研究

本文提出了基于楔形光纤以及端面成角度光纤的共路径光相干成像系统探头,实现背向散射信号在其端部的共路径相位干涉,从而获得待测件断面成像信息.首先,建立了共路径光相干成像系统光路及探头相位干涉的理论模型,分析了各光纤探头尺寸与干涉信号强度、系统性能的关系.其次,分别设计出楔形光纤、端面成角光纤探头,开展了共路径光路干涉实验,搭建了工作波长为1 550 nm的共路径光路测试系统.然后,根据不同待测样品的散射率,设计并研制了不同角度的楔形光纤探头,分析了不同尺寸的光纤探头对系统性能的影响,针对不同样品开展了固定探头探测实验.实验结果表明,楔形光纤端部可直接对输出光聚焦,照射在被测样品上,且其端面成一定角度时,可调节输出分光比,实现对参考信号的调节,提高了系统信噪比.为进一步开展共路径光相干成像系统的研究奠定了基础.     

基于波数分辨的低相干干涉台阶高度测量系统的研究

提出一种基于波数分辨的低相干干涉台阶高度测量系统。由宽带光源发出的光通过光纤迈克耳孙干涉仪获取被测量信息,色散光栅将宽谱干涉光束色散成波长在空间连续分布的光片,由线阵CCD探测。将线阵CCD的各个像元探测到的各个波长干涉信号转换成对应的波数干涉信号。对于波数干涉信号,相邻两个干涉信号峰值之间的波数变化量与干涉仪光程差的绝对值呈正比。因此,利用此测量系统可实现对台阶高度等物理量的绝对测量。利用缩短测量系统中光纤迈克耳孙干涉仪的两个干涉臂的长度减小环境干扰对测量系统的影响,获得高测量精度。本测量系统的测量分辨率为6.03 nm。对一个高度为50μm的台阶重复10次测量,测量结果的标准差为6.8 nm。     

光纤干涉测距中光程定位的研究

提出一种由定位干涉仪和测量干涉仪组成的光纤干涉绝对距离测量方法;并用标准长度光纤实现光程倍增以增大测量范围;重点讨论了用脉冲电流调制的准单色光源实现光程定位的方法及其精度。通过理论分析和仿真实验,定位重复性误差优于±1μm。     

浅海波导中简正波干涉特征频率增强

针对浅海波导中水平线列阵接收的低频宽带低信噪比信号,提出了一种利用多拍信号相干累加来提高干涉简正波特征频谱信噪比的方法。这种方法主要针对未知距离和声源形式的运动声源,对不同时刻（或接收距离）处阵列输出信号进行WARPING变换,基于干涉简正波特征频率不变性原理,通过距离和径向速度比值的搜索来使得不同时刻或距离处信号自相关函数WARPING变换后频谱具有近似相同的特征频率,进而通过相干累加来增强信号干涉简正波特征频率。仿真和海上实验数据分析均验证了方法的性能。     

全视场外差长腔干涉测量技术

提出了一种适用于长焦光学镜片面形测量的新型激光干涉仪。利用全视场外差移相技术能有效抑制振动和大气等环境因素对长腔干涉测量的影响,采用Twyman-Green干涉仪结构,实现测量波面和参考波面的外差相干测量。搭建了实验验证系统,实验证明该方案能较好地抑制外界振动和大气湍流对测量精度的影响,实现了较高精度的长腔干涉测量,仪器的RMS(Root Mean Square)重复测量精度达到0.45‰λ。该技术可以作为长腔干涉测量的可选方案之一。