基于合成波长法的飞秒激光外差干涉测距方法

本文提出了一种基于合成波长法的飞秒激光外差干涉测距方法.系统采用两个带通滤波器产生两个具有一定波长差的单波长,用于产生合成波长.本方法结构简单,能量利用率高.与双频激光干涉仪在40 mm范围内的比对结果表明,该方法比对残差的标准差为91 nm.     

光学频率梳基于光谱干涉实现绝对距离测量

详细分析了光学频率梳光谱干涉的原理, 建立了较全面的光谱干涉的数学模型, 为实现绝对距离测量提供理论分析基础. 基于光谱干涉, 指出通过光谱干涉条纹的振荡频率, 即一次傅里叶变换, 可以实现绝对距离测量, 数值模拟结果表明, 最大测量误差为1.5 nm; 提出了一种等效的多波长并行零差干涉的方法, 分析了多波长并行零差干涉法的测距原理. 数值模拟结果表明, 多波长并行零差干涉法的最大误差为8.7 nm; 通过脉冲啁啾实现绝对测距, 分析了基于脉冲啁啾实现绝对测距的原理, 数值模拟结果表明, 最大测距误差为5.3 nm.     

相位激光测距与外差干涉相结合的绝对距离测量研究

 为了克服一般绝对距离测量方法量程和精度不能同时满足的问题,提出一种相位激光测距与外差干涉相结合的绝对距离测量方案。该方案使用相位激光测距技术进行粗测,双纵模He-Ne激光器外差干涉测长技术进行精测,保证两者结合的单值性。建立测量系统,对方案的可行性进行了实验验证,并对影响系统稳定性的因素进行了分析。与双频激光干涉仪的比对结果表明：测量标准差优于1mm,可以满足一些大尺寸的测量精度要求。     

Absolute distance measurement by using modified dual-wavelength heterodyne Michelson interferometer

This study proposes a modified dual-wavelength heterodyne Michelson interferometer for measuring the absolute distance that can avoid the influence of wavelength drifts. This modified interferometer consists of two conventional Michelson interferometers. A standard plate is introduced in one arm of one Michelson interferometer. The phase differences of p- and s- polarization test lights in the two interferometers can be measured accurately by dual-wavelength heterodyne interferometry. Hence, the absolute distance can be determined by substituting the phase differences into special derived equations. Meanwhile, the test lights suffer from the same wavelength drift effect. Therefore, the negative effect caused by the drift can be offset, and the measurement stability can be significantly increased. The feasibility of this method was demonstrated with a measurement resolution of about 1.36 μm. Additionally, this method has a simple structure, easy operation and rapid measurement.     

Measuring small wavelength differences by heterodyne interferometry and optical activity of chiral crystal

The optical activity of a chiral crystal and common-path heterodyne interferometry are used in a simple measurement technique that was developed to measure small wavelength differences. When circularly polarized heterodyne light passes through a chiral crystal, the plane of polarization rotates. The phase difference between the right- and left-circular lights is directly proportional to the angle of rotation. The rotation angle depends strongly on the wavelength. The phase difference can be accurately detected and substituted into specially derived equations to estimate wavelength variations. The feasibility of this method was demonstrated and the wavelength sensitivity was about 0.00812 nm. This method provides the advantages of a simple structure, ease of operations, a large wavelength measurement range and high sensitivity.     

大尺寸绝对距离测量的现状及发展

大尺寸绝对距离测量技术是解决工业生产中大型零件高精度测量的重要手段。本文介绍了该技术的基本原理及国内外发展现状，并对影响测量精度的三个重要因素作了分析和讨论，并预言超短波Ｘ激光、自适应光学及集成光学技术将会在该领域得到广泛应用     

基于重采样技术的调频连续波激光绝对测距高精度及快速测量方法研究

调频连续波激光测距方法可以实现高精度的大尺寸绝对距离测量, 且测量过程无需合作目标, 在大空间坐标精密测量领域有很高的研究价值. 而如何提高测量分辨率和实用化一直是近年来调频连续波激光绝对测距研究的热点. 本文研究了调频连续波激光测距的原理, 基于双光路调频连续波激光测距系统, 提出了通过信号拼接提高测量分辨率的信号处理优化方案, 该方案可以提高测距分辨率, 且可以降低对激光器的性能要求; 提出了可实现高速测量的简易测量方法. 设计加工了双光路光纤调频连续波激光测距系统, 利用该系统进行了测距分辨率及测距误差标定实验, 实验结果表明: 优化方案可以有效地提高测量分辨率和测量效率, 在26 m测量范围内, 测距分辨率达到了50 μm, 测距误差不超过100 μm; 快速测量方案有较高实用价值.     

基于飞秒光梳多路同步锁相的多波长干涉实时绝对测距及其非模糊度量程分析

飞秒光梳被广泛用于时间频率技术和精密光谱测量,由其时频特性所衍生的绝对测距技术以可溯源、大尺寸、高精度等优点有望成为未来长度计量的最重要手段.本文提出了一种基于飞秒光梳多路同步锁相的多波长干涉实时绝对测距方法,使多个连续波激光器通过光学锁相环技术同步锁定到飞秒光梳梳模上,通过多路同步相位测量和小数重合算法最终实现绝对距离测量.所提测量方法不仅能保留传统激光干涉测距的高分辨力和精度,而且可溯源至时间频率基准,对高精度长度测量、尤其是对物理复现“米”的定义具有重要计量意义.测距实验证明,四波长干涉测距的非模糊度量程达到44.6 mm,折射率波动导致非模糊度量程变化为纳米量级;多波长干涉测距的非模糊度量程也受制于空气折射率的测量误差,多波长干涉绝对测距的非模糊度量程在实验室环境下可达数米、甚至几十米,并通过2米线性位移实验证明了多波长绝对测距的大量程和线性测量性能.     

一种基于电光调制光频梳光谱干涉的绝对测距方法

提出了一种基于电光调制光学频率梳的光谱干涉测距方法.理论分析了电光调制光学频率梳的数学模型和光谱扩展原理,并分析得出了光谱干涉测距方法的非模糊范围和分辨力的影响因素.在实验中,使用三只级联的电光相位调制器调制单频连续波激光生成了40多阶高功率梳齿状边带,并通过单模光纤和高非线性光纤对电光调制器输出的激光进行光谱扩展,得到重复频率为10 GHz,光谱宽度达30 nm的光学频率梳.将该光频梳作为光谱干涉测距装置的光源,可以实现无"死区"的绝对距离测量.另外,使用等频率间隔重采样和二次方程脉冲峰值拟合算法对测量结果进行数据处理,可以修正系统误差,提升测距精度.实验结果表明,在1 m的测量范围内,使用该装置可以在任意位置达到±15μm以内的绝对测距精度.     

一种新型多波长绝对距离干涉测量系统的研究

介绍了一种新型多波长绝对距离干涉测量系统。系统采用633nm的双纵模He-Ne激光器和629nm的He-Ne激光器,组成三级合成波长链对较大距离进行精密测量,并作了误差分析。系统采用高稳定度的声光晶体对各波长分别进行偏频,再用外差探测法测量出光束通过参考光路和测量光路后的位相差。简要介绍了629nm的He-Ne激光器的设计方案。     

光纤超外差干涉测量系统的研究

提出了一种用于绝对距离测量的光纤超外差干涉系统,简述了该方案的原理,给出了信号处理的框图,并进行了初步实验。对系统的误差分析表明,在光强较弱、信噪比差的情况下,光学元件的非理想特性以及测量信号与参考信号之间的耦合是引起测量误差的主要原因。     

一种基于光学倍乘原理的绝对距离干涉测量系统

介绍了一个基于光学倍乘原理的绝对距离干涉测量系统。系统包括两个干涉仪:采用半导体激光器作为光源的定位干涉仪和测量位移的外差干涉仪。介绍了光源的选择,系统的设计以及信号的采集和处理方案。采用这套绝对测量系统,可以实现长度为2m以内的绝对距离测量,定位精度可以达到±0.5μm。     

法-珀干涉绝对距离测量中的声光移频器双通道配置方法

为在能量天平动圈位移测量中实现大范围纳米精度法-珀干涉绝对距离测量, 提出了声光移频器双通道配置, 实现了调谐范围为200 MHz的可调谐频差. 通过分析声光移频器调制带宽与衍射效率的平衡与入射光束聚焦透镜的关系, 确定透镜的最佳焦距范围; 利用零级光斑分布特点准确定位入射光束, 保证一级衍射光束质量. 声光移频器在调制带宽内的实验单通道和双通道峰值衍射效率分别为79.54%, 61.41%; 声光移频器双通道配置输出的一级衍射光束与入射本征光束的拍频范围为440-640 MHz, 是单通道调制带宽输出220-320 MHz的两倍, 信噪比好. 理论分析表明, 声光移频器双通道配置方法实现的可调谐频差可测量腔长变化范围约为53 mm的折叠法-珀腔.     

光学频率梳啁啾干涉实现绝对距离测量

本文提出一种基于光学频率梳的啁啾脉冲干涉绝对距离测量的方法.通过一对衍射光栅啁啾参考脉冲,分析参考脉冲和测量脉冲的干涉光谱,得到脉冲的中心频率偏移量,从而解算出被测距离.文中详细分析了脉冲啁啾原理和啁啾脉冲干涉测距原理,以及影响测距范围的因素并给出仿真.搭建了改进的Michelson干涉结构,实验得出测距范围受啁啾参数的影响,并与理论分析吻合;在地下长导轨上,进行大范围测距实验.实验结果表明当,在65 m范围内,测量结果与参考测距仪相比,测距精度为33μm,相对精度达到5.1×10~(-7).此外,根据理论分析,通过实验优化了实验装置的测量不确定度.     

光电极值法结合外差干涉法监控膜厚的研究

光电极值法是光学薄膜厚度监测的常用方法,该方法在镀膜前引用块状材料的折射率设计膜系。而在实际镀制过程中,用于镀制光学薄膜的材料折射率会发生改变,从而给膜厚的监控带来误差。为了避免折射率变化的影响,采用外差干涉法测量折射率,将实际测得的薄膜折射率应用光电极值法监控薄膜的设计,从而减少了因材料折射率的变化引起的误差。以750nm截止滤光片的镀制为被测对象进行了实验,对制备的滤光片透射率光谱曲线进行了比较。结果表明,实际的透射率曲线与设计的透射率曲线吻合较好,两次实验曲线平均吻合度均在98%以上,系统稳定性很好,从而说明结合外差干涉法的光电极值监控法可以很好地克服折射率变化引起的误差。     

Possibility to break through limitation of measurement range in dual-wavelength digital holography

By using the beat frequency technique, the dual-wavelength digital holography(DWDH) can greatly increase the measurement range of the system. However, the beat frequency technique has a limitation in measurement range. The measurement range is not larger than a synthetic wavelength. Here, to break through this limitation, we propose a novel DWDH method based on the constrained underdetermined equations, which consists of three parts:(i) prove that the constrained underdetermined equation has a unique integer solution,(ii) design an algorithm to search for the unique integer solution,(iii) introduce a third wavelength into the DWDH system, and design a corresponding algorithm to enhance the anti-noise performance of DWDH. As far as we know, it is the first time that we have discovered that the problem of DWDH can belong in a problem of contained underdetermined equations, and it is also the first time that we have given the mathematical proof for breaking through the limitation of the measurement range. A series of results is shown to test the theory and the corresponding algorithms. More importantly, since the principle of proposed DWDH is based on basic mathematical principles, it can be further extended to various fields, such as dual-wavelength microwave imaging and dual-wavelength coherent diffraction imaging.     

干涉测距仪中光纤的特性分析

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 ,将对光程的定位过程和对距离的测量过程分别进行 ,实现对大距离的高精度绝对测量 ,同时在测量系统中引入光纤和光纤干涉仪 ,以改善系统结构和性能。详细分析了光纤损耗特性、色散特性和偏振特性对测量系统的影响 ,并特别给出了有关色散特性影响的量化分析结果。分析表明色散特性对于系统的测量范围有较大的影响     

探测超声微振动的激光外差干涉仪

激光超声是一项新兴的技术，可应用于非接触检测。本文作者研制的探测超声微振动的激光外差干涉仪，该装置具有结构简单，不必采用复杂的反馈回路，只要采用简单的滤波就可以消除外界环境引起的干扰，更重要的是它的测量结果与干涉仪的初相无关，为实际应用提供了很大方便。     

Dispersive white-light spectral interferometry including the effect of thin-film for distance measurement

A spectral-domain white-light interferometric technique is used for measuring distances in a Michelson interferometer with a mirror represented by a thin-film structure (TFS) on a substrate. A fibre-optic spectrometer is employed for recording spectral interferograms that include wide wavelength range effects of dispersion in a cube beam splitter and multiple reflection within the TFS. Knowing the effective thickness of the beam splitter, its dispersion and parameters of the TFS and substrate, the positions of the second interferometer mirror are determined precisely by a least-squares fitting of the theoretical spectral interferograms to the recorded ones. We apply the technique to the beam splitter made of BK7 optical glass and to a uniform SiO₂ thin film on a silicon wafer. We compare the results of the processing that include and do not include the effect of the TFS.     

高分辨率调频连续波激光绝对测距研究

大空间精密测量在重大装备制造、空间科技、国防工业等方面发挥着重要作用,激光高精度绝对长度测量是大空间精密测量领域的重要研究课题.调频连续波激光测距是近年来激光绝对测距研究的热点,它克服了脉冲法测量分辨率低和相位法激光测距存在2π缠绕模糊度问题的缺点,有着测量精度高、量程大的优点.本文研究了调频连续波激光测距的原理,分析了影响其测距分辨率的主要原因,证明了利用等光频间隔采样来抑制激光调制非线性对测距结果影响的可行性.该方法可以提高测距分辨率,且系统构成简单、实用性强.搭建了光纤调频连续波激光测距系统,并加入了辅助干涉光路对测量信号进行等光频间隔采样.利用该系统进行了测距分辨率实验,实验结果表明,本系统测量分辨率可以达到50μm,测量范围达到了10m.