地平式望远镜消旋K镜的设计

地平式望远镜在进行天体目标跟踪观测时会产生像旋,即视场中的星体会围绕视轴中心旋转,给实时目标识别和基于多帧积累的图像处理算法带来了诸多不便.本文针对地平式望远镜的Coude光路,设计了一种通光口径较大,由三面平面反射镜组成的K镜消旋机构来消除像旋.消旋K镜由三面反射镜组成,通光口径为42 mm,第一面反射镜与第三面反射镜的夹角选择为120°,使K镜通光口径较大,能在全光谱波段范围内使用.入射光线绕光轴转动一定的角度,K镜相应的转动入射光线转角的一半,则出射光线不产生旋转.第一面反射镜和第三面反射镜由两面平面镜固定在金属三角架上组成,替代由三棱体磨制的反射镜面,利用自准直平行光管和高准确度转台装配各反射镜,使K镜光轴和回转轴同轴,并采用直流力矩电机直接驱动,使系统具有较快的响应速度.测角元件采用Renishaw圆光栅,细分后的角分辨率为0.072″.     

地平式望远镜消旋K镜的设计

地平式望远镜在进行天体目标跟踪观测时会产生像旋,即视场中的星体会围绕视轴中心旋转,给实时目标识别和基于多帧积累的图像处理算法带来了诸多不便.本文针对地平式望远镜的Coude光路,设计了一种通光口径较大,由三面平面反射镜组成的K镜消旋机构来消除像旋.消旋K镜由三面反射镜组成,通光口径为42mm,第一面反射镜与第三面反射镜的夹角选择为120°,使K镜通光口径较大,能在全光谱波段范围内使用.入射光线绕光轴转动一定的角度,K镜相应的转动入射光线转角的一半,则出射光线不产生旋转.第一面反射镜和第三面反射镜由两面平面镜固定在金属三角架上组成,替代由三棱体磨制的反射镜面,利用自准直平行光管和高准确度转台装配各反射镜,使K镜光轴和回转轴同轴,并采用直流力矩电机直接驱动,使系统具有较快的响应速度.测角元件采用Renishaw圆光栅,细分后的角分辨率为0.072″.     

平面反射镜表面散射光干涉

激光束照射到表面被粘污的反射镜上会产生干涉环,入射光束和反射光束在被粘污表面产生散射光干涉.随着入射角的变化,光束在反射镜玻璃片内光程改变,引起干涉环从中心冒出或缩进,干涉环级数的变化与入射角的平方成正比.     

一种利萨如图形的演示方法

普通物理学机械振动部分,在讲述两个相互垂直的简谐振动的合成时,大多采用示波器演示利萨如图形。因受示波器屏幕的限制,图象较小.为了适应教学演示的需要,我们的做法如下: 一、装置简图及原理 如图一所示,①激光器;②喇叭;③平面反射镜;④音频信号发生器. 如图一所示,平面反射镜一端固定在喇叭的边缘,另一端粘合在喇叭的纸盆上,当激光束射到镜面M1上时,由于喇叭纸盒带动镜面振动,这样不停地改变着入射光线的入射角,于是反射光线的方向也随着改变,在水平方向扫出一条光带.当反射光线射到镜面M2,上时,因两镜面相互垂直,且两喇叭的口径平面互…     

激光测距机发射光学系统透射特性研究

为分析激光测距机发射光学系统透射特性对测距性能的影响,利用光线追迹公式和部分偏振光理论,得出了激光测距机发射光学系统透射率的定量解析式。针对发射光学系统特例,定量分析了其透射率与入射激光束偏振参量和几何光学参量间的关系。结果表明：随着入射角增加,激光束偏振参量对发射光学系统透射特性将产生较明显影响,当激光器发射的激光脉冲是随机的部分偏振光时将引起测距机发射激光脉冲能量的随机变化。     

双频激光回馈位移测量研究

提出了一种基于双频激光回馈效应的位移测量系统，并在理论和实验两方面进行了研究.实验中对激光器输出功率变化进行了探测，同时对两正交偏振光的光强变化进行了探测.研究发现当被测物体移动时，激光器输出功率受到调制，物体每移动半个光波长时，回馈信号为调制深度相等的两峰，系统分辨率提高了一倍，达到四分之一光波长.当物体运动方向改变时，两正交偏振光的光强变化顺序也随之改变，可以实现物体位移方向的判断.理论分析及模拟结果与实验结果相符合.研究表明该位移传感系统具有结构简单、分辨率高、可判向、测量范围大、可工作于强回馈区等优点. 关键词： 激光回馈 位移传感 自混合干涉 双频激光器     

SPR快速角度调制系统

利用表面等离子体共振原理设计了测量待测物体的折射率的方法.通过快速控制反射镜的角度控制入射光的转动,光源照射在反射镜之后,由双透镜直接将光束聚焦至柱棱镜中心,实现入射光的旋转.在接收反射光时,使用光敏面足够大的光电转换器件,可以实现探测器在一次测量中固定不动,使系统得以简化.根据仿真结果可知,在折射率为1～1.33的范围内,共振角与待测物体折射率近似成线性关系,实际测量空气和水的共振角分别为39.8°和58.4°,据此可以近似确定该共振角范围内所有待测物质的折射率.     

运用四元数分析椭球微粒所受的光阱力

在光镊的射线模型中,追迹光线在界面的折射反射光是较基本的也是较复杂的问题.传统的几何光学法计算光线的方位,对于一些不规则的物体来说,存在一定的困难度.本文提出使用四元数简化空间光线追迹,从而可计算非球形颗粒的光阱力.以入射光线和界面法线的外积确定入射面的法线为旋转轴;根据折射定律确定由入射光线旋转到反射光线和折射光线的角度.将入射光线以四元数表示,根据四元数旋转,可获得反射光线和折射光线的空间矢量.根据光子的动量变化,求得光阱对微粒的作用力.本文以球差影响下的不同形变的椭球为计算示例,模拟了椭球在光阱下的动力学行为,结果表明椭球的横向和轴向俘获效率受到各方向变形系数的影响;球差增大降低了轴向的最大俘获效率,稳定俘获位置也随之朝负轴偏离中心更远;在固定球差作用下,最大轴向俘获效率与轴向变形系数相关,在特定的变形下轴向俘获效率变得较大.由此验证了四元数方法的正确性、实用性与普遍性.     

基于L-K局域光流的空间视线坐标法面形测量技术

提出了一种基于L-K局域光流的空间视线面形测量技术.测量系统由一个投影仪和一个CCD摄像机组成,采用小投影角度的投影方式.通过投影光线与视线(观测光线)的交点坐标,直接计算得出被测物体三维面形高度分布,其中条纹图中观察位置的变化由L-K光流算法计算得到.建立了在点光源投影条件下投影光线与视线交点坐标、光流与被测物体面形高度之间的关系.模拟与实验结果证明该方法能够准确恢复被测物体高度.与传统面形测量方法不同,视线光流面形测量技术不需要采集多幅条纹图像,也无需计算条纹频率和物体相位值,只需两幅条纹图即可恢复物体面形高度分布.     

水平平板上静态液滴的光学效应研究

对液滴表面的光学衍射效应进行实验研究.当用一准直、扩束的激光束自下而上,垂直照射水平放置的平板上的静态液滴表面时,得到了清晰、稳定的衍射图样.衍射图样的强度分布随着入射光束半径的变化而变化.当激光束半径改变到某一特定大小时,衍射图样中心条纹消失.通过对衍射条纹的分布与液体表面形态的理论分析,并根据物理光学原理,得到了条纹强度分布与激光束半径和入射面液面最大高度之间比值是相关的.基于这一发现,提出了一种液滴表面研究的非接触、有效实验方法.     

The discovery of nanometer fringes in laser self-mixing interference

We demonstrate the influences of optical feedback from an external mirror with high reflectivity in a He-Ne laser on self-mixing interference fringes and laser polarization states. When the external mirror is tilted to a certain level, the stable and uniform nanometer resolution fringes are generated. The fringe density is 40 times than that of the conventional self-mixing interference or two beam interference, and has still potential to be improved. Each self-mixing interference fringe corresponds to λ/80 displacement of the external mirror, i.e. 7.91 nm displacement of the external mirror. Moreover, when the movement direction of the external mirror is changed, the polarization flipping between two eigenstates will happen. The potential applications of the results are also discussed.     

Laser self-mixing interference fibre sensor

Fibre sensors exhibit a number of advantages over other sensors such as high sensitivity, electric insulation, corrosion resistance, interference rejection and so on. And laser self-mixing interference can accurately detect the phase difference of feedback light. In this paper, a novel laser self-mixing interference fibre sensor that combines the advantages of fibre sensors with those of laser self-mixing interference is presented. Experimental configurations are set up to study the relationship between laser power output and phase of laser feedback light when the fibre trembles or when the fibre is stretched or pressed. The theoretical analysis of pressure sensors based on laser self-mixing interference is indicated to accord with the experimental results.     

激光二极管自混合干涉信号随外腔长度衰减

理论分析了激光二极管自混合干涉信号随外腔长度增大的变化特点及规律。从复合谐振腔干涉函数出发,推导出激光二极管自混合干涉信号随外腔长度增加指数衰减,衰减系数与光频虚部成正比,并给出光频虚部和实部满足的超越方程组。求解该超越方程组得到,当外腔长度超过一个临界值时,光频虚部随外腔长度近似反比衰减,则激光二极管自混合干涉信号随外腔长度增加衰减很缓慢;当外腔长度小于该临界值时,外腔反馈会使光频虚部增大,而且光频虚部随外腔长度变化而振荡,激光二极管自混合干涉信号出现复杂的状态。外腔反馈强度越大,或激光单模线宽越大,这一外腔长度的临界值则越小。分析激光二极管自混合干涉还需要考虑外腔反馈对光频虚部的影响。     

The study of laser self-mixing vibrometer employing different feedback regime using a VCSELS

Laser interferometry based on self-mixing effect widely used to measure displacement, velocity, vibration and distance due to compactness, non-contact, as well as low cost. An important use of the self-mixing effect inside a laser diode is in optical self-mixing vibrometer. We have experimentally investigated self-mixing interference produced by the feedback of light from a vibrated target into a vertical-cavity surface-emitting laser for sensing applications. In this paper, the self-mixing vibrometer employing different feedback regime is discussed and a theoretical analysis is also proposed. Numerical analysis focused on the distortion self-mixing waveform. Numerical analysis and experimental results show that mode-hop occurs when the laser self-mixing vibrometer employing at high feedback level.     

基于二次反馈激光自混合新型测距方法

在基于激光自混合干涉的理论上,提出了一种利用二次反馈激光自混合干涉的新型测距方法。利用三角波电流对半导体激光器进行调制,得到一次反馈自混合干涉信号。通过对信号分析可知,当半导体激光器被调制后,会产生一系列的模跳,模跳的数量与绝对距离成正比。通过计算在一个三角波电流调制周期内模跳的数量,就可以求出绝对距离。利用多重激光自混合的概念,提出该种新型测距方法。建立了距离测量系统,进行了实验验证。实验结果表明:由于步长分辨率精度的提高,测距精度明显提高。     

A laser feedback interferometer with an oscillating feedback mirror

A method is proposed to solve the problem of direction discrimination for laser feedback interferometers.By vibrating the feedback mirror with a small-amplitude and high-frequency sine wave,laser intensity is modulated accordingly.The modulation amplitude can be extracted using a phase sensitive detector(PSD).When the feedback mirror moves,the PSD output shows a quasi-sine waveform similar to a laser intensity interference fringe but with a phase difference of approximately ±π/2.If the movement direction of the feedback mirror changes,the phase difference sign reverses.Therefore,the laser feedback interferometer offers a potential application in displacement measurement with a resolution of 1/8 wavelength and in-time direction discrimination.Without using optical components such as polarization beam splitters and wave plates,the interferometer is very simple,easy to align,and less costly.     

激光二极管自混合干涉的计算分析和实验观察

实验上观察到自混合干涉信号的幅度仅仅为静态光强的百分之几.反馈光会引起激光二极管阈值电流减小,静态输出光强变化几倍,使激光二极管工作在实际的阈值电流之上.按三镜法布里-珀罗腔结构模型计算激光二极管的出射光强,由干涉函数主极大条件得出光频与反馈光的关系.计算出的自混合干涉信号的波形,以及自混合干涉信号的幅度与静态光强的比值均同实验测量结果一致.在τrC/τ1=22.8的情况下,复合谐振腔可同时有15个谐振模式,这些模随外腔长度的变化小于2.6×10-2cm-1,远小于法布里-珀罗谐振腔谐振模的线宽3.1cm-1,光频在内腔谐振模的线宽以内变化.     

窄线宽、高光束质量的外腔双反馈激光二极管阵列(英文)

设计了一种离轴双反馈外腔能够有效地改善激光二极管阵列的线宽和光束质量。闪耀光栅和高反镜之间形成了一个共振腔。通过调整光栅和高反镜之间的倾角可以选定一个空间模在共振腔中放大。将一个半波片插入外腔中的光栅反馈支路,来控制反馈光的数量,激光从光栅反馈支路输出。运用这项技术,在工作电流16 A,可以把激光二极管阵列的输出线宽压缩到0.15 nm,光束束宽积减小到283 mm.mrad。由于光栅的锁定作用,中心波长几乎不随温度的变化而改变。在工作电流17A时,输出激光的功率为2.44 W,斜率效率为0.5 W/A。     

光纤激光器自混合干涉效应研究

针对光纤激光器自混合干涉传感应用,研究了光纤激光器自混合干涉特性,运用四镜法布里-珀罗腔模型对掺铒线形腔光纤激光器自混合干涉效应进行了理论分析,对不同反馈水平下的自混合干涉信号进行了数值模拟,获得了光反馈条件下光纤激光器输出特性.外腔长度的改变会调制激光器的输出强度,外腔长度变化半个波长,对应一个干涉条纹,弱反馈条件下,由反馈引起的激光器的频率变化可以忽略.设计了基于光纤激光器的自混合干涉实验,实验结果和理论分析相符合.此研究结果为进一步开展光纤激光器的自混合干涉传感应用研究奠定了理论与实验基础.     

Observation of multi-path interference in broad-area semiconductor lasers with optical feedback

Multi-path interference effects induced by optical feedback in broad-area semiconductor lasers is experimentally studied. An external mirror and an internal laser cavity form a closed composite optical feedback loop. For a very small tilt of the external mirror for the exit facet along the stripe width of the active layer, the light emitted from the laser undergoes multi-path reflections in the composite cavity, and we therefore observe multi-path interference effects of the laser oscillations for a small mirror tilt. The laser output power always shows the fundamental mode of the single feedback loop together with an oscillation of a certain higher multi-path loop. The laser oscillation and the beam profile are strongly dependent on the tilt. We observed up to a nine-fold multi-path interference in the experiment.