具有纳米级分辨率的超精密定位工作台

柔性铰链精密定位工作台具有直接传动、无摩擦、结构紧凑、重量轻、刚度好及分辨率高等优点。设计了一种具有较大传动比的定位工作台 ,介绍了其系统结构和工作原理 ,并对刚度性能作了分析。利用双频激光干涉仪对压电陶瓷驱动下的工作台特性进行了测量。结果表明 ,该工作台具有纳米级的分辨率和定位精度。     

激光干涉法测压电陶瓷的压电常数d31

介绍迈克尔逊干涉仪原理在测微小位移中的应用。确定一种锆钛酸铅镧压电陶瓷的压电常数ｄ３１，得到了一种测ｄ３１的可行可靠的新方法。     

双频激光干涉测角中角锥镜的不对称性对测角精度影响的分析

对双频激光干涉测角中反射镜组内两角锥镜的不对称性进行了分析,包括两反射角锥镜的制造工艺误差——两反射角锥镜的厚度偏差,以及安装偏差——两反射角锥镜前表面不平行度。推导出了由于该类误差带来的测角影响,建立了精确的角度测量模型。     

丝杠精度双频激光干涉测量中的阿贝误差实时补偿

提出一种利用双频激光干涉仪检测光栅刻划机分度丝杠的新型光路结构,推导出用于阿贝误差补偿的快速修正计算式,实现了丝杠测试过程中阿贝误差的实时修正,通过修正使不满足阿贝原则的测量系统获得了较高的测量精度。另外该方法还通过调整参考镜角锥棱镜消除了测量过程中丝杠轴向窜动引起的测量误差。实验结果表明,采用提出的方法在300mm的丝杠行程内修正的最大阿贝误差为1．39um,补偿后最大残差仅为0．48um,有效地提高了丝杠测量精度。     

用于高功率激光装置的压电步进驱动器

根据神光Ⅱ高功率激光装置的具体工程需求,设计了一种以层叠式压电陶瓷为驱动元件的新型压电步进驱动器。驱动器利用杠杆机构实现箝位机构和进给机构交替箝位动子,通过对压电陶瓷小步距的位移连续累加的步进方式,实现大行程直线位移;具有控制简单、行程大、分辨力高及断电箝位的特点。样机试验结果表明,驱动器的运动分辨力达到nm级,步距分辨力达到50 nm,行程21 mm。     

用于高功率激光装置的压电步进驱动器

根据神光Ⅱ高功率激光装置的具体工程需求,设计了一种以层叠式压电陶瓷为驱动元件的新型压电步进驱动器。驱动器利用杠杆机构实现箝位机构和进给机构交替箝位动子,通过对压电陶瓷小步距的位移连续累加的步进方式,实现大行程直线位移;具有控制简单、行程大、分辨力高及断电箝位的特点。样机试验结果表明,驱动器的运动分辨力达到nm级,步距分辨力达到50nm,行程21mm。     

基于双频激光干涉反馈的快速精密定位系统

为了实现大量程、高精度测量系统的快速驱动与定位,结合双频激光干涉仪、可回收废气的空气静压导轨、精密滚珠丝杆以及伺服控制系统,研制了一套定位精度高、重复性好的快速精密定位系统。该系统以双频激光干涉仪为测长基准,实时反馈系统工作台位置信息;采用余气回收式空气静压导轨克服了传统气浮导轨余气对激光干涉测量光路系统的影响;在定位过程中引入PID运动控制技术,通过调节伺服控制器的PI参数使系统拥有快速平稳的响应特性。经实验测试,在500mm行程范围内,该系统的轴线双向定位精度可以达到0.266μm,重复定位精度可以达到0.173μm,具有较好地快速响应特性。应用所研制的精密定位系统对一维直线光栅样品进行了扫描,并与用Olympus共焦显微镜测得的数据进行了比对,表明系统具备良好的轴向定位能力。     

基于可变相位延迟的激光干涉式亚纳米级微位移测量系统

激光光源具有单色性好、亮度高、方向性强和相干性强等优势,所以基于干涉原理对激光光谱进行积分可以应用于微位移测量领域。在重力方法探测过程中,因地质结构不同引起万有引力差异而造成的探测质量块位移十分微小,通常为纳米级,所以研制高精度纳米级微位移测量系统尤为重要。然而传统电容位移测量法在防止电磁干扰等方面存在不足。相比较而言,光学干涉法具备抗电磁干扰、环境适应性强等优点,且精度不亚于电容法。传统干涉系统光路复杂、难于集成,对重力仪的小型化与集成化不利。所以研制一种结构紧凑的光学干涉系统用于实现纳米级微位移测量成为亟需。基于可变相位延迟的激光干涉式方法,能够实现亚纳米级微位移测量,较传统干涉系统具备结构紧凑、易于集成的优势。本微位移测量系统由半导体激光器、起偏器、检偏器、楔形双折射晶体组和光谱仪组成。研究从以下方面展开：首先是确定测量系统方案,提出了偏振光干涉双路结构,以楔形双折射晶体组作为核心器件,将晶体间相对位移转化为o光和e光的差别化相位延迟,并对激光光谱进行积分,进而将位移变化转变为合成光强的变化;其次是建立测量位移物理模型,根据设计的双折射晶体组几何结构、位移过程与光路,确定光强变化与待测位移量之间的关系;第三是系统参数优化,为了使系统的测量误差和量程满足实际需求,利用已建立的物理模型,将测量误差和量程分别与晶体切割角度α、激光器激射波长λ建立函数关系。根据应用需求,确定适当的误差和量程取值范围,进而得到角度α和波长λ取值范围;最后加工晶体、搭建系统并进行测试。具体即以α和λ为调控参量,联合考虑“近似线性化”和“激光器光强波动误差”对系统量程进行优化仿真。同样,联合考虑“激光器光强波动误差”和“激光器波长波动误差”,并利用“系统最大位移量”（与量程有关）对系统测量误差进行优化仿真。最终确定钒酸钇晶体切割角度α为20°,激光器激射波长λ为635 nm。实验中,以10 nm为间隔利用压电陶瓷设置位移量进行位移测试,包括：系统的线性标定、系统量程和测量误差测试。另外,在保持待测位置不变的条件下,利用本位移测量系统进行了2 h不间断测量,并通过阿伦方差确定了系统的位移探测下限。实验结果表明,位移量程范围大于150 nm,位移测量误差约0.5 nm,位移探测下限为0.32 nm@23 s,探测线性度判定系数(R2)为0.999 85。综上所述,以自制楔形双折射晶体组作为核心器件的可变相位延迟激光干涉式微位移测量系统,可作为重力探测中的质量块位移测量单元。与电容法相比具有更强的环境适应性;与传统干涉系统相比具有结构简易、光路紧凑等优点,便于重力仪的小型化与集成化。     

四激光束干涉光刻制造纳米级孔阵的理论分析

为提供一个在大范围内曝光出深亚微米甚至纳米级周期性密集图形的廉价的方法,研究了四激光束干涉光刻的原理,分析了干涉曝光的结果,并进行了计算机模拟.用现有的光源,如442 nm、365 nm、248 nm、193 nm激光,曝光得到的图形的临界尺寸容易做到180～70 nm.具有实际上无限制的焦深和容易实现的大视场.适合硅基CCDs、平场显示器的场发射电极阵列等光电子器件中大范围内超亚微米级的周期性孔阵或点阵结构图形的制作.     

分光路二维剪切干涉强激光腔镜变形检测系统

介绍一种分光路二维剪切干涉光电检测系统。该系统实现了两正交方向(二维)同时进行检测与计算机自动化数据处理;采用了一系列消噪声措施和两图像相减等技术,使得波前重构中能较好地采用简单的数值积分方法;并得到了在士10μm的测量范围内,方差不超过0. 257μm和0. 05μm的灵敏度。利用该系统成功地对强激光腔镜变形过程实现了动态检测。     

基于F-P腔法的纳米精度非线性误差校准系统研究

为了研究可用于纳米、亚纳米精度的非线性误差校准系统,采用差拍F-P干涉法,在中国计量科学研究院研制的差拍F-P干涉仪基础上,设计并制作了适用于该系统的密封干涉光路的真空系统。通过与电容式测微仪的比对实验,证明了系统的抗干扰能力得到了改善,在大于半波长的测量范围内,系统的非线性度优于3.86nm。     

高精度表面粗糙度外差干涉仪信号处理系统的研制

针对用于磨床加工的光外差表面粗糙度在线干涉测量仪，文中介绍了整机的信号处理系统，着重讨论了两项关键技术。即宽动态范围测量信号的自动控制和高精度动态相位测量，系统的测量精度达２．６°（相当于３．２ｎｍ），允许测量中最大多普勒频移±２０ｋＨｚ（对应高度的变化率±８．７５×１０－３ｍ／ｓ），完全满足磨床加工中表面粗糙度在线测量的要求。现场测试证实了这一点，这对于精加工、超精加工表面粗糙度的在线质量控制、提高加工精度等非常重要。     

用于冷原子干涉仪激光时序控制的DDS跳频系统设计与实现

为了满足冷原子干涉实验对时序控制的需求,设计并实现了一个基于LABVIEW软件的激光时序控制DDS系统,其工作过程为通过设计的LABVIEW上位机软件输入需要产生的频率和频率间隔时间,ARM芯片根据LABVIEW软件发送来的控制信息实现对射频信号芯片的控制,CPLD芯片用来控制射频信号之间的时间间隔,最后DDS芯片产生与控制信息相对应的射频信号。与目前同类装置相比,系统实现了跳频时间和频率更加精确和工作稳定性更好。经过系统的调试分析以及性能测试,DDS跳频系统能够满足原子干涉仪激光时序控制需求。通过测试DDS装置,DDS装置能够输出准确输出射频频率值,并且射频频率时间间隔能精确到微秒。DDS装置可以有效控制冷原子干涉仪的激光时序,在探询时间为120毫秒且重复率为2.2赫兹的情况下,冷原子重力仪的重力测量灵敏度达到 。     

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利用EAST装置单道远红外HCN激光干涉仪测量了等离子体中心道(R=1.82m)线平均电子密度。通过充气加料连续提升主等离子体密度,首次在EAST装置上观察到偏滤器等离子体的三种不同状态：低再循环(偏滤器靶板处等离子体温度较高,密度较低),高再循环(偏滤器靶板处等离子体温度较低,密度较高)和脱靶(偏滤器靶板处等离子体温度和密度都很低)等离子体状态。分析了EAST偏滤器在这三种不同状态下的物理现象。     

EAST远红外激光干涉仪与密度爬升实验研究

利用EAST装置单道远红外HCN激光干涉仪测量了等离子体中心道(R=1.82m)线平均电子密度。通过充气加料连续提升主等离子体密度,首次在EAST装置上观察到偏滤器等离子体的三种不同状态：低再循环(偏滤器靶板处等离子体温度较高,密度较低),高再循环(偏滤器靶板处等离子体温度较低,密度较高)和脱靶(偏滤器靶板处等离子体温度和密度都很低)等离子体状态。分析了EAST偏滤器在这三种不同状态下的物理现象。     

基于混合周期栅网结构的频率选择表面设计研究

在栅网结构上设计的频率选择表面能够同时实现红外高透过率和毫米波带通的物理特性. 为了提高其光学透过率, 降低表面电阻, 抑制高次衍射能量对光学系成像质量的影响, 本文通过分析基于栅网结构的频率选择表面衍射光强和表面电流, 提出一种新型基于混合周期栅网结构的频率选择表面. 计算及实验结果均表明: 在实现稳定的毫米波带通滤波的同时, 基于混合周期栅网结构的频率选择表面红外透过率提高了5%以上, 表面电阻平均降低了4 Ω, 有效地抑制了因高次衍射能量集中分布而对红外光学系统成像质量的影响.