一种应用于纳米测量机的高精度干涉仪

为实现纳米三坐标测量机(NMM)中大范围高精度位移的测量(测量范围小于40mm,分辨率小于0.1nm),研制了一种大量程纳米级测量精度的实用化外差干涉仪,并对该干涉仪的光学结构进行分析研究。该系统不但克服了双频激光干涉仪混频的固有缺点,而且在结构上利用光学器件的偏振特性,使系统具有共光路、等光程、光学倍程和相位差成90°正交信号等特点,提高了系统分辨率、抗干扰性能和精度。该系统在40mm的测量范围内,具有λ/4 096的分辨率和纳米级的测量精度。实验结果表明,纳米三坐标测量机对样板1次安装10次测量的实验标准差为4.9nm,10次安装10次测量的实验标准差为8.4nm,具有较好的测量重复性。干涉仪结构符合三坐标的测量要求,可安装在纳米三坐标测量机等仪器中,也可用于高精度的位移测量。     

632.8nm高精度移相菲佐干涉仪测量误差分析

为了满足高精度光学系统对光学元件纳米级的检测精度要求,提出了一种理论可实现纳米级测量的632.8nm移相菲佐干涉仪的设计方案。通过对检测凹面和凸面的632.8nm移相菲佐干涉仪的基本结构和测量原理的分析,指出影响干涉仪测量精度的几种主要误差:移相误差、几何结构误差、振动误差、探测器误差(非线性误差和量化误差)、光源误差(波长不稳定和强度不稳定)、空气扰动和折射率变化误差。通过对这些误差理论分析和模拟,量化了各误差对测量精度的影响,其中移相误差、几何误差、振动误差和空气折射率误差影响最为显著。根据测量精度要求和仿真结果,得到实现纳米级测量的干涉仪系统参数和环境参数设置要求。     

用于减少漂移的纳米定位干涉仪集成系统

基于表面等离子体共振 (SPR)的纳米定位装置可以实现纳米级的定位分辨率和重复性。通过设计特殊四面体棱镜 ,使四面体棱镜第一个反射面的入射角等于SPR的共振角 ,在该反射面上镀上金属膜 ,后面放置光纤探头构成SPR定位指零装置 ,实现了纳米定位装置和干涉仪系统的集成。干涉仪测量前利用SPR纳米定位系统确定一个零位 ,当发生漂移时回到定位零点进行读数校正 ,就可以减少干涉仪的漂移误差。建立了集成纳米定位装置的干涉仪系统。实验表明 ,干涉仪的测量不确定度从 70nm减小到 10nm ,提高了系统的测量精度和稳定性     

高稳定大量程复合光纤干涉位移测量系统研究

为了使位移测量系统达到大量程、高分辨率,采用复合光纤干涉的方法,进行了理论分析和实验验证。利用光纤光栅作为反射镜,构成两个干涉光路几乎共路的光纤迈克尔逊干涉仪。其中一个光纤迈克尔逊干涉仪通过反馈控制补偿环境干扰对测量系统的影响,使测量系统适合在线测量;另一个干涉仪用于完成测量工作。两个不同波长的光同时作用于完成测量的干涉仪中,测量量程由两个波长的合成波干涉信号确定,使测量量程大于1mm;测量分辨率由其中一个单波长干涉信号确定,测量分辨率小于1nm。结果表明,这种基于复合光纤干涉仪的位移测量系统可以实现大量程、高稳定的位移在线测量。     

光纤F P腔干涉纳米级位移高分辨率测量

激光抗干扰性好、复用能力强,光纤F P腔干涉仪结构简单、灵敏度高,适于纳米级位移测量。为了进一步提高分辨率,扩展测量范围,本文对光纤F P腔干涉信号的相位和功率进行分析。首先给出了二倍次方功率和分辨率的关系,找出了提高分辨率的途径。然后给出了二倍次方功率和干涉条纹变化的关系,确定了测量条件。最后根据光纤波在F P腔内干涉形成的滞后相位,通过多次希尔伯特变换,实现了待测物体位移重构。数值模拟和实验证明了该方法能够实现高分辨率纳米级位移测量,误差小。     

用于纳米测量的集成化单频激光干涉仪

研究了一种基于偏振光的集成式单频激光干涉仪。利用偏振光学变换方法,实现了干涉仪的光学4细分结构,提高了测量灵敏度;构建4路正交探测结构,实现了干涉仪的无源偏振调制,扩大了干涉仪测量范围;采用光路集成化的设计方法,实现了一体化干涉仪光路集成。对激光干涉仪进行振动测量实验研究,结果表明,静态位移测量误差小于±0.3 nm,振动测量的分辨率达10 pm/Hz1/2;上述集成单频激光干涉仪具有测量精度高、稳定性好、动态范围宽、受环境影响小等优点,可被广泛用于纳米测量的各个领域。     

纳米精度双频激光干涉仪非线性误差的确定方法

介绍了确定纳米精度双频激光干涉仪非线性误差的两种方法：纳米比对方法和幅值估算方法,前者通过将双频激光干涉仪和计量院纳米精度F-P干涉仪进行纳米比对确定非线性误差,具有测量结果直接和米定义溯源的优点;后者通过测定偏振干涉仪测量信号的幅值调制度估算非线性误差,具有简单易行、受外界因素干扰小等优点。实验结果表明,对于此干涉仪系统,非线性误差的测量结果小于2．5nm,估算结果为1．4nm,两者在误差允许的范围内一致。     

双频干涉共焦台阶高度测量系统

提出了一种以低频差横向塞曼双频激光器作光源的外差干涉共焦显微测量系统 ,该系统通过共焦显微的光强测量进行粗定位 ,其轴向台阶高度测量范围在 5 μm以上。同时采用相位测量技术 ,实现了对半波长的 36 0 0细分 ,从而使测量分辨率达到 0 1nm。由此同时满足了高测量精度和较大测量范围的要求。实验结果表明系统在没有恒温的普通实验室条件下 1h内的漂移不超过 15nm ,与差动纳米双频干涉仪的比对结果线性系数在 0 9999以上 ,非线性误差约 10nm。     

F-P干涉仪在长度测量领域的应用

F-P标准具和干涉仪利用多光束干涉的原理,产生极锐的干涉条纹并且谐振频率对F-P腔长的变化非常敏感,根据这些特点,从利用F-P干涉仪进行激光器的频率锁定、稳频,光学倍程精密定位和纳米测量三个角度综述了在长度测量领域F-P干涉仪的发展情况;在分析主要存在的问题和解决方法的基础上,讨论了F-P干涉仪的发展方向,并指出在纳米测量中F-P干涉仪将起到越来越重要的作用。     

F-P干涉仪在长度测量领域的应用

F-P标准具和干涉仪利用多光束干涉的原理,产生极锐的干涉条纹并且谐振频率对F-P腔长的变化非常敏感,根据这些特点,从利用F-P干涉仪进行激光器的频率锁定、稳频,光学倍程精密定位和纳米测量三个角度综述了在长度测量领域F-P干涉仪的发展情况;在分析主要存在的问题和解决方法的基础上,讨论了F-P干涉仪的发展方向,并指出在纳米测量中F-P干涉仪将起到越来越重要的作用。     

车载直接探测多普勒测风激光雷达光学鉴频器

基于建立的车载直接探测激光雷达系统,对接收光学鉴频器进行了研究。针对边界层、对流层和平流层不同的气溶胶和大气分子浓度以及风速动态范围,同时采用直接探测的两种主要技术。利用多光束菲索(Fizeau)干涉仪(MFI)和阵列光电倍增管(PMT),接收气溶胶散射信号,获得边界层风速。采用双法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪(DFP)和光电倍增管探测器,分析分子散射信号,得到对流层风场。使用实际的激光雷达系统参数和大气模型参数,对两个鉴频器进行了优化设计,分析了它们的风速测量灵敏度和精度。多光束菲索干涉仪鉴频器系统在±50 m/s风速范围内测量灵敏度为1.3%/(m.s-1),高度分辨率为200 m,边界层内风速测量误差小于1 m/s。双法布里-珀罗干涉仪鉴频器系统在±100 m/s风速范围内的测量灵敏度约为0.3%/(m.s-1),高度分辨率为1000 m,对流层风速测量误差小于3 m/s。     

Intrinsic single-mode fiber-optic pressure sensor

Development and calibration of a fiber-optic pressure single mode sensor are described. The sensor is based on the intrinsic properties of a communication grade single-mode optical fiber. A self-referencing double interferometer was used for interrogation of the signal. The sensing interferometer is based on a white light Michelson interferometer. The sensor was evaluated through measurement of high pressures applied to sand samples. Experimental results demonstrate the linearity of the system in the range 0 to 38.08 MPa with a resolution of 0.03 MPa     

应用干涉仪对经纬仪光学系统主镜的装调和检测

随着光电经纬仪的跟踪精度、图像像质质量等技术指标的提高,使光学系统的装调和检测要求也随之提高,传统的装调方法不能够满足新形势下经纬仪的安装精度需求。文中介绍了一种应用干涉仪对经纬仪系统主镜的装调和检测方法,分别从主镜的装配、调整、镀膜、光轴中心检测与校验对主镜的装调思路进行分步骤介绍。应用ZYGO干涉仪对主镜系统检测,从传统的刀口仪、显微镜的定性检测方法上升为使用ZYGO干涉仪对系统的定量检测。检测测试结果说明,应用干涉仪对经纬仪光学系统的检测完全满足光学设计的指标要求,从观察70～80 km航空飞机和5000 m目标靶图像看到目标的图像清晰,图像的边缘对比度好,满足使用要求。干涉仪在经纬仪光学系统主镜装调中的应用,满足高精度经纬仪的需求,从而提高主镜装调精度。     

High-accuracy self-mixing interferometer based on multiple reflections using a simple external reflecting mirror

A self-mixing interferometer (SMI) with resolution twenty times higher than that of a conventional interferometer is developed by multiple reflections. Only by employing a simple external reflecting mirror, the multiple-pass optical configuration can be constructed. The advantage of the configuration is simple and easy to make the light re-injected back into the laser cavity. Theoretical analysis shows that the resolution of measurement is scalable by adjusting the number of reflections. The experiment shows that the proposed method has the optical resolution of approximate λ/40. The influence of displacement sensitivity gain (G) is further analyzed and discussed in practical experiments.     

干涉式被动亚毫米波成像系统

干涉式辐射计通过多通道间的相关运算得到被动亮温图像。对于亚毫米波段(submillimeter-wave, SMMW)相关运算对硬件系统的精度与相位稳定性提出了很高的要求。本文中,通过特殊设计的高精度SMMW器件,实现了一套基于二单元干涉仪的干涉式辐射计系统。针对该系统的自身特点,作者提出了点源目标响应定标方法来降低系统误差。系统完成后,分别进行了干涉条纹实验和点源目标成像实验。经测试,系统的线性相位误差小于2°,角分辨率优于0.57°。系统实测性能和理论分析结果一致。以上研究为今后设计高分辨率亚毫米波干涉式成像辐射计提供了重要的参考价值。     

High resolution 50 nm linear displacement macroscale meander-line PZT actuator

A high resolution <50 nm piezoelectric meander-line actuator is experimentally demonstrated using a macroscale model made of 22 bars of PZT. The high resolution displacement measurements are taken using a Michelson optical interferometer. Linear, stable, displacement behaviour with no hysteresis is demonstrated for low (<100 V) applied voltages.<>     

一种基于光学杠杆的新型精密角度传感器研究

在精密角度传感器中,灵敏度和噪声性能是影响传感器精度的主要因素.为了提高角度传感器的灵敏度和噪声性能水平,采用以光学杠杆为基础,与萨格纳克效应(Sagnac)干涉仪结合的方法来建立一种新型的精密角度传感器.Sagnac干涉仪的干涉图样在相消干涉时对2个相干光束的光路差很敏感,而光学杠杆又可将光路差放大,从而提高灵敏度.同时,Sagnac干涉仪的相消干涉能抑制某些噪声源,从而提高噪声性能.通过实验仿真,验证了这种方法构建的精密角度传感器具有较高的灵敏度和噪声性能水平.     

高分辨率光纤位移传感器

介绍了一种新型的光纤位移传感器，它基于全光纤法布里－珀罗干涉仪原理，采用了光反馈技术和共模抑制技术，有效地消除了环境的影响，趴有很高的测量稳定性，其分辨率高在１０＾－１０ｍ，可用二系统的状态监控和故障诊断及精密测量。     

Frequency stabilization of FDM optical signals using an electroniccounter

A new scheme is demonstrated for the frequency stabilization of FDM optical signals. This scheme uses an electronic counter to count signals detected by a scanning Fabry-Perot interferometer, instead of an A/D converter. The frequency measurement accuracy is within 50 MHz, and the frequency stability is within ±200 MHz over 50 hours. Using this scheme, it is possible to stabilize, with high accuracy, the frequencies of FDM carriers with unequal spacings     

光纤低相干干涉测量法的光谱域处理技术

使用低相干、宽带光源可以让光纤传感器系统获得高分辨率和大动态范围.光谱域处理技术在具有这种特点的光源下应运而生.该技术的特点是除了使用传感干涉仪以外,还必须用第二个处理干涉仪来提取所需的条纹图样信息.使用交叉的梳状谱也是其特点之一.使用这种技术的光纤传感器系统可以实现多种物理量的测量,而且其结构简单、成本低廉.