塞曼激光外差干涉仪的非线性分析及校正

He-Ne激光器施加纵向磁场或横向磁场构成的纵向塞曼激光器和横向塞曼激光器,是激光外差干涉仪最常用的光源。外差干涉仪原理表明,干涉仪所测位移和仪器测得的光电信号的相位变化,是线性关系。而实际上由于光源和光学系统难于达到理想状态,使二者之间产生了周期性非线性,导致纳米、亚纳米测量难以实现。本文分析了引起非线性的原因及其特性,提出了校正和减小非线性的方法,并证实了其有效性。     

外差干涉仪中声光调制器特性对测量精度的影响

提出并论证了混合型声光调制器衍射光的衍射级次混叠特性, 它使衍射光强中存在着驱动频率的谐波项, 此外入射光束的漂移将引起衍射光的频率漂移。分析了在外差干涉仪中应用它们对测量精度的影响, 提出了消除这些因素影响的方法： 利用双声光调制器外差干涉, 并在干涉仪的内部提取测量的参考信号。用双声光调制器的外差干涉仪可以实现纳米测量。     

纳米分辨率外差干涉信号处理电路相位畸变的实验研究

外差干涉是实现纳米精度长度测量的重要手段。采用电子倍频、混频、高频计数的方法可处理外差信号实现亚纳米分辨率,具有电路简单、能计大数的优点,但会引入电子信号的相位畸变,引入测量的动态误差。本文通过理论和实验分析了这一误差,表明在电子倍频中锁相环引起的相位畸变仅在亚纳米量级,但在混频环节中带通滤波器引入的相位畸变则可达几纳米,引入较严重的误差。本文通过采用低频差横向塞曼激光器产生３２０ｋＨｚ的外差信号,并采用ＦＰＧＡ技术实现倍频后的高频率信号直接计数,省略混频环节,从而实现了高测量分辨率并避免了这一误差。     

用于纳米测量的混合型外差干涉信号处理方法

通过对外差干涉信号同时进行相位检测和锁相倍频计数,可得到存在一定冗余度的一组测量结果,经过一定的逻辑混合;可实观测量分辨率优于０．１ｎｍ,测量范围不受λ／２周期限制,从而克服了以往单一采用相位测量法测量范围限于一个周期和锁相倍频计数法分辨率不易提高的难题。给出了在实际纳米测量干涉仪采用这种外差信号处理方法的测量结果。     

非偏振分光镜对外差干涉仪非线性误差的影响

除了激光源、偏振分光镜（PBS）和波片等偏振器件之外,非偏振分光镜（NPBS）也是外差干涉仪中重要的非线性误差源。研究了多层介质膜NPBS的退偏效应和方位角对非线性误差的影响。采用p、s分量透射比、反射比、反射相移和透射相移共同表征NPBS的退偏效应,并逐项分析了其非线性误差模型。如果入射光束为理想线偏振光,则只有NPBS的反射相移和透射相移影响测量精度。如果入射光束存在偏振椭圆化和非正交,则NPBS的方位角、透射比和反射比、相移等参数的变化都会引入非线性误差,误差曲线的斜率受椭圆率和非正交角的影响。因此选用不同的激光源,同一个NPBS产生的非线性误差大小不同,一般可达几个纳米量级。为了实现纳米/亚纳米级精度的外差干涉测量,选择性能稳定的NPBS,特别是NPBS退偏效应与激光源输出偏振态之间的匹配非常重要。     

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。     

外并干涉仪中声光调制器特性对测量精度的影响

提出并论证了混合型声光调制器衍射光的笛射级次混叠特性,它使衍射光强中存在着驱动射频率的谐波项,此外入射光束的漂移将引起衍射光的频率漂移。分析了在外差干涉仪中应用它们对精度的影响,提出了消除这些因素影响的方法;利用双声光调制器外差干涉,并在干涉仪的内部提取测量的参考信号。用双声光调制器的外差干涉仪可以纳米测量。     

用于位移精密测量的光外差马赫-泽德干涉仪

本文介绍了我们研制的用于位移精密测量的光外差马赫－泽德干涉仪。由于在光路设计中采用了共光路的布置，共模抑制技术得以实现，环境干扰产生的噪声得到很好的消除，相位检测的稳定性和精度大大提高。使用该干涉仪测量了一台在光学相移器内ＰＺＴ微位移驱动装置的电压－位移关系。测量结果具有良好的线性和重复性，与预期相符。根据测量数据分析，该光外差干涉仪具有３ｎｍ的位移测量精度。     

一种基于FPGA的外差干涉仪动态数据采集方法

介绍了利用现场可编程门阵列(FPGA)来实现外差干涉仪动态数据采集的信号处理方案。在这套方案中,在锁存位置计数信息的同时,还可以启动两路模拟信号的A/D转换,并将结果写入缓存,实现了动态数据的采集。     

利用外差干涉仪的光学系统准直方法

描述了基于外差干涉仪原理的用于精密空间光学的准直方法，分析了该方法进行光学系统准直的系统误差；结果表明，只要较好地控制倾斜误差和照明光源的质量，系统误差就可以消除。实验结果说明，系统的测量误差接近探测元件的分辨率。     

Influence of Phase Drift on Optical Coherence Tomography Using a CCD Camera-Based Heterodyne Detection Technique

The performance of a two-dimensional heterodyne detection technique in optical coherence tomography (OCT) was studied. This technique, which is based on the frequency synchronous detection method, enables the use of an imager such as a charge coupled device (CCD) camera as a heterodyne sensor array, so that horizontal cross-sectional image can be acquired in real time without lateral scanning. OCT measurements of scattering media including a biological object were demonstrated. To evaluate the influence of phase fluctuations on the present technique, we measured and analyzed the statistical relative-standard-deviation of heterodyne signal intensity as a function of the random phase shifts between two consecutive CCD frames. Practical limitations in the signal stability and possible solutions are discussed.     

共线外差干涉系统相位特性

以单束正交线偏振光为光源,利用索列尔-巴比涅相位补偿器使相位连续变化,采用锁相放大器进行数据采集,设计了一种由光纤耦合输出的窄频半导体激光器和双声光调制器组成的共线外差干涉系统,对其相位特性进行了研究,分析了激光束漂移及光源谱线宽度对相位测量的影响.实验表明:系统的相位分辨率为0.3611μm,相位灵敏度为27.386°/mm,测量误差为0.090rad;可以消除由声光调制器光强调制引起的相位误差,抑制激光束漂移引起的误差,以及减弱环境因素产生的噪声对测量结果的影响.     

频率扫描干涉仪漂移误差正反向扫描补偿法

频率扫描干涉仪对测量过程中光程差的漂移非常敏感,目标镜的微小位移会被放大几千倍,使得测量结果严重失真,因此必须消除或减弱漂移误差。针对现场测量中目标镜的低频振动或缓慢漂移,根据光频连续正反向扫描测量值漂移误差放大项大小近似相等、符号相反的特性,提出了一种光频连续正反向快速扫描的漂移误差补偿方法,并进行了频率扫描干涉仪漂移误差补偿实验,分析对比补偿前后的实验结果,验证了该方法的可行性。实验结果表明,在测量距离约1543.3mm处,目标镜振动频率为4.7Hz,振幅为1μm,采用补偿后,连续40次采样测量的标准差由补偿前的51.9μm下降到8μm。     

X射线干涉仪实现扫描探针显微镜样板线间距纳米测量

X射线干涉仪以非常稳定的单晶硅晶格作为长度单位 ,可以实现亚纳米精度的微位移测量。提出了将 X射线干涉仪和扫描隧道显微镜结合起来 ,利用单晶硅的晶格尺度测量扫描探针显微镜样板节距的技术方案 ,并进行了实验研究     

高气压精密漂移管的时间性能研究

对高气压精密漂移管的时间性能进行了研究.利用放射源和宇宙线对漂移电子的时间谱和带电粒子入射位置与漂移时间关系(r–t)及其诸影响因素进行了研究.分析了时间谱的拟合参数,并用积分法由时间谱得到(r–t)关系.     

应用于激光外差辐射计的高精度太阳跟踪仪

报道了一套适用于激光外差辐射计的高精度太阳跟踪仪,为激光外差辐射计提供用以反演大气成分的柱浓度和垂直廓线的太阳光。太阳跟踪系统采用太阳运行轨迹跟踪与光电跟踪相结合的跟踪方式,具有精度高、全时空特点。测量了该太阳跟踪仪的跟踪精度,X和Y轴方向跟踪精度分别达到0.068°和0.06°,能够满足激光外差辐射计在大气和天文领域中对太阳光收集的要求。进而把太阳跟踪仪与实验室研制的激光外差辐射计集合起来,测量了3.5 μm附近的太阳光谱,得到了CH₄在整层大气中的吸收情况,为下一步反演整层大气中CH₄的柱浓度和垂直廓线奠定了基础。     

空间外差光谱自适应基线校正研究

空间外差光谱具有较高的信噪比与光谱分辨率,在大气微量气体遥感领域得到重要应用,实现基线的自适应校正是光谱预处理的重要环节。基于光谱的特点,分别采用阈值拟合法和改进的经验模态法对实测近红外水汽空间外差光谱进行基线校正。结果表明,两种方法均能实现光谱基线的自动扣除;以光谱扭曲程度及光谱相似度对两种方法的校正效果进行定量评价,阈值拟合法校正后的光谱扭曲程度及光谱相似度为0.761和0.955,改进经验模态法的结果分别为0.717和0.954,说明改进经验模态法略优。在校正方法的耗时上,改进经验模态法以其特有的算法优势仅需较少的迭代次数就能获得最终的基线光谱,完成校正,耗时不足阈值拟合法的十分之一,效率更高。