光学测量与仪器

0620965提高差拍法布里-珀罗干涉仪测量精度的研究[刊,中]／孙文科／／激光与红外．-2006,36(4)．-288-291 (G)文章在中国计量科学研究院研制的差拍法布里-珀罗(F-P)干涉仪基础上,提出用密封干涉光路的真空系统方法,来消除空气折射率变化对测量结果的影响。研究了空气折射率变化对测量精度的影响关系,给出真空系统所需的真空度的估计式。并设计制作了适用于该系统的密封干涉光路的真空系统。参8     

迈克尔逊干涉仪测量空气折射率随温度变化

在迈克尔逊干涉仪一光路中固定一透明玻璃管,通过改变玻璃管内空气的压强来观察干涉条纹的"吞吐"数量,来计算空气折射率.本文将研究改变开放玻璃管内空气温度时,测量干涉条纹的"吞吐"数来测量空气折射率,为迈克尔逊干涉仪测空气折射率提供了一种新的思路和操作方法.     

基于表面等离子体共振和双频激光干涉相位测量的空气折射率测量

设计了一种基于表面等离子体共振和相位检测的空气折射率实时测量系统,该系统采用双频激光外差干涉光路和具有角漂移自适应结构的表面等离子体共振传感器。理论分析表明测量光信号的p、s分量的相位差相对于参考光信号的变化与空气折射率近似呈线性关系,并由此得到测量公式,传感器的自适应结构将角漂移引起的误差降低了一个数量级并大幅提高了测量灵敏度。与Edlen公式的测量比对实验结果表明,在44.0°入射角(共振角附近)和0.1°的相位测量精度下,空气折射率的测量精度优于5×10-6。该测量系统还可为更高精度的空气折射率测量仪提供足够精确的初值。     

热圆柱体表面温度的干涉法测量

介绍一种利用干涉原理测量热圆柱体表面温度的方法,首先,在对圆柱体周围空气的温度和折射率分布特点进行分析的基础上,建立Fizeau等厚干涉系统,调整光路使干涉条纹稳定且等间距。然后,将圆柱体水平放置于干涉光路中加热,记录物体加热前后干涉条纹图像,利用曲线拟合和轮廓跟踪算法对图像进行处理,进而计算出紧靠圆柱体表面处空气的折射率。最后,利用热圆柱体附近空气温度分布的特点,以及空气温度和折射率之间的关系,确定圆柱体的表面温度。结果表明：此方法的测量精度不低于1％,温度分辨率不低于0．1K。     

平行平板角位移干涉测量仪的优化设计

提出一种可提高平行平板角位移干涉测量仪测量精度的优化设计方法。对角位移干涉测量系统进行了误差分析,讨论了影响角位移测量精度的主要因素。分析了在干涉仪光路中入射到平行平板上的初始入射角度、平行平板的折射率以及厚度等参数的选取对角位移测量精度的影响。结果表明,优化选取最佳的初始入射角度以及元件参数,并在于涉光路中附加引入一平面反射镜形成光程差放大系统,可实现的角位移测量精度达10~(-8)rad数量级。     

两种透明介质微小折射率差高精度测量的新方法

对现有折射率的测量技术进行分析,提出了一种测量两种透明介质间微小折射率差的新方法。首先,介绍了微小折射率差干涉测量方法的原理,并对该测量原理利用Zemax光学仿真软件进行了理论模拟论证。该实验中首先,采用热键合技术制备包含两种被测量材料的组合平板;其次,利用干涉测量仪及外光路测量样件界面区域不同入射角下的光程差;再者,利用几何光学中的折射定律,推导折射率分布与干涉光程差的关系式。最后,通过二次曲线拟合获得正入射时的光程差微小变化值、换算得到样件两种材料的折射率差值。实验测量了1 at.% Yb3+::YAG晶体与YAG晶体的热键合样品的折射率差,测量值为5.4110-5,测量系统精度10-7量级。结果表明:该测量方法原理简单、操作简便,测量精度高。     

基于实时监测的激光外差干涉仪闲区误差自动补偿

针对目前激光外差干涉实时测量中,由于现场工作环境的限制,无法对闲区误差进行实时自动补偿的问题,提出了一种基于实时测量闲区值和折射率值的闲区误差补偿方法.该补偿方法以激光测距仪为主体,结合偏振片、偏振旋转器对闲区长度值进行测量,利用空气折射率测量仪获得测量过程中的空气折射率数值,并根据终端修正原则,取每次测量开始和结束时的折射率数值与清零时的闲区值对干涉测量结果进行修正.可有效降低实时测量中由折射率变化所引起的闲区误差对测量结果的影响,实验表明,本方法在折射率变化2.7×10-6,闲区值为100 mm的情况下,对HP5528干涉系统进行补偿后使零点漂移最大值从300 nm减小到30 nm.     

基于M-Z干涉原理双折射率测量光路的Matlab仿真研究

为了能在实际生产中简单方便、高精度测量平面光波导回路的双折射率,提出了一种在平面光波导上集成马赫曾德干涉光路的方法测量双折射率。横电模光波和横磁模光波在马赫曾德干涉光路中存在一定双折射现象,导致两出射光在同一干涉级M产生波长漂移Δλ,结合光路两支路相对长度即可计算出双折射率B。仿真结果表明,某一特定波段的测量精度和两支路的相对长度ΔL有密切相关;选取110μm作为ΔL的值在1550波段的测量,测量精度可以达到10^-5。     

对633nm波长下湿空气折射率计算公式的精确修正

目前公式法测量空气折射率大多采用Boensch等于1998年提出的改进Edlen公式,其对湿空气的修正系数是基于4个波长(644.0、508.7、480.1、467.9nm)并在19.6℃~20.1℃范围内测得的数据,这与当前光学精密测量多采用633nm He-Ne激光波长且环境温度范围更大的实际情况存在矛盾,从而导致其应用时产生的误差较大。为此,提出了以相移干涉光路为基础的折射率测量实验光路,在较大温度范围内(14.6℃~24.0℃)测得了在633nm波长下对湿空气折射率的修正系数并得到其修正公式。与文献结果比对表明其精度高于Boensch公式。该修正公式可广泛应用于633nm激光精密测量中的空气折射率补偿。     

光学相控器件调制误差对干涉投影条纹的影响

以马赫泽德干涉光路结构为基础,采用电光材料的光学相控技术产生用于光学形貌测量的干涉投影条纹。为了研究电光晶体作为光学相控器件的相位调制误差对干涉条纹质量的影响,建立了电光晶体对干涉条纹质量的模型,分析晶体折射率、平面度与波前调制的关系及其对干涉条纹质量的影响。仿真结果表明,电光晶体调制误差会影响干涉条纹质量。理想平面度下晶体折射率的畸变会使干涉条纹变形,折射率离散化阶数直接影响投影条纹的高次谐波成分,甚至导致投影条纹严重失真;折射率理想的情况下,晶体平面度的差异也会造成干涉条纹不同程度的形变。     

基于等厚干涉原理的液体折射率测量方法

将空气劈尖的等厚干涉原理与CCD图像处理技术相结合,提出了一种对透明液体折射率进行自动测量的新方法.利用一元线性回归方法对CCD的像元序号与所接收到的干涉条纹光强极大值序号之间的线性关系进行拟合,进而由拟合系数与待测液体折射率之间的关系计算出液体的折射率.为了在测量中获得理想的干涉条纹图,对影响干涉条纹图像质量的主要因素进行了详细分析,并给出了具体的背景光消除方法.实验以水为测量对象,测量结果表明,新的测量方法是可行的,测量结果的相对误差为0.09%,另外,新的背景光消除方法,对其他光学实验中如何获得清晰的干涉条纹,也具有一定的参考价值.     

基于光谱干涉技术的玻璃厚度及折射率测量方法

基于光谱干涉技术提出了一种能够同时测量玻璃厚度及折射率的方法,该方法利用迈克尔逊光路,通过傅里叶变换算法对光谱仪接收的干涉信号进行解算,获取光谱干涉条纹的调制周期,根据待测玻璃样品放入测量臂前后,测量臂与参考臂所形成的光程差即可求出玻璃样品的几何厚度和折射率。该方法无需机械扫描延迟线并采用改进的傅里叶域下的相位提取算法,提高了测量系统抗干扰能力,探测速度快。实验结果表明:对玻璃样品的厚度测量精度优于±1μm,折射率测量精度±5×10^-4。     

新型等效斜楔设计

针对现有的静态斜楔干涉具无法实现零光程差,并且对被测光的空间相干性要求较高,进而影响光谱反演的准确性和复杂性问题,提出了一种新型等效斜楔干涉具,该等效斜楔由两种折射率不同的材料构成,两个反射面完全垂直,干涉的两束光是由同一束光分开而得,因此对光的空间相干性无太高要求,并且可以实现零光程差。理论推导了该斜楔不同位置的光程差公式和光谱反演公式,并且设计了该等效斜楔,其最大光程差可达168.3 m,对光谱测量过程进行了仿真分析,结合最大光程差和所测光谱波段分析了线阵CCD的像元数要求。采用532 nm单纵模激光器和632.8 nm氦氖激光器进行了实验分析,实验结果得到中心波长误差小于0.2%。     

用低相干光干涉法鉴别白酒品质

提出一种基于低相干光干涉技术鉴别不同茅台白 酒的方法。实验采用宽带低相干LD光源和迈 克尔逊干涉仪光路。将待测样品酒放入测量臂光路中,测量臂的光程会发生变化。当来自测 量臂与参考臂 的两束低相干光的光程接近相等时,会出现干涉条纹。利用光电探测器(PD)得到干涉信号 ,可求出相应的光 程变化量,进而得到待测样品酒的折射率。实验所用样本为贵州茅台镇所产酱香型 53度白酒,得 到茅台飞天酒、茅台迎宾酒、茅台镇酒1、茅台镇酒2、茅台镇酒3和茅台镇酒4的折射率分 别为1.356、1.355、1.356、1. 355、1.354和1.354。实验结果表明,运用本文方法能 够很容易地鉴别传统“茅台酒”和茅台镇其他酒厂生产的白酒,也能区分同一厂家生产白酒 的质量优劣。     

基于纺锤型空气腔的光纤马赫-曾德尔折射率传感器

设计了一种基于光纤纺锤型空气腔的三明治结构全光纤马赫-曾德尔折射率传感器。纺锤型空气腔是通过普通单模光纤和光子晶体光纤熔接后再拉锥形成的。锥区的纺锤型空气腔和包层分别作为参考臂和传感臂,从而形成马赫-曾德尔干涉。基于FDTD Solutions和COMSOL仿真软件分别对传感器的干涉条纹及锥区电场分布进行了仿真,得到了折射率传感器干涉条纹波谷波长和有效折射率与环境折射率的关系。当环境折射率为1.36~1.37和1.37~1.38时,灵敏度分别为1 377.6和1 436nm/RIU。此传感器具有极短的干涉臂,能够降低损耗,且具有较高的折射率灵敏度。     

基于空芯光子晶体光纤的F-P干涉式折射率计

提出了一种基于空芯光子晶体光纤(HCPCF)的Fabry-Perot(F-P)干涉式高灵敏度折射率计。利用被测液体进入F-P腔后可改变腔内介质的折射率,从而使得干涉光光程差发生变化这一特点,通过检测光程差的变化就可实现对液体折射率的测量。实验结果表明,对折射率在1.3340～1.3612内变化的不同浓度酒精溶液测量时,光程差变化了9.508μm,其折射率测量灵敏度可达187μm/RI     

光线偏折对激光测量火焰温度场干涉图的影响

以燃烧数值模拟所获得的层流乙稀扩散火焰的折射率和温度数据为基础,利用所获得的离散数据和折射率公式,得到了任意光线在火焰单一高度平面上圆域范围内前进的详细过程。分析了由于折射率不均匀造成的光线偏折对利用激光全息干涉法测量火焰温度场干涉图的影响;给出了不同平行光条数和不同离轴距离光线的偏移情况;对实验中激光穿过火焰区域后的高亮边界现象进行了讨论。计算和分析表明:利用该算法可以计算出任意光线前进的详细数据;不同平行光条数和不同离轴距离光的偏折效应不一样,离轴距离越大,光的偏折效应越明显;激光穿过火焰区域后的高亮边界现象是由于光的偏折造成的,为干涉图像处理中相位的提取提供了依据。     

镀膜级联长周期光纤光栅折射率传感研究

镀膜的级联长周期光纤光栅（Cascaded Long-Period Fiber Gratings, CLPFGs）对膜层的折射率及环境折射率有很高的敏感性, 可用作气体传感器或溶液浓度传感器。本文采用耦合模理论与传输矩阵法, 数值计算了不同薄膜厚度下镀膜CLPFGs干涉峰波长的相对变化率与薄膜折射率的相对变化率的比值, 及不同薄膜厚度下镀膜CLPFGs干涉峰波长的相对变化率与环境折射率的相对变化率的比值。选择恰当的镀膜厚度, 使镀膜CLPFGs传感器的灵敏度最优化, 结果表明镀膜CLPFGs传感器对薄膜折射率及环境折射率的分辨率可达10-5。