交变光场时空耦合型位移测量系统的研制

针对现有光栅精密刻划加工难度大制约测量精度的问题,设计了一种以交变光场为测量媒介的时空耦合线性位移测量系统。该测量系统利用四路正交的交变光场与四组正交的正弦透光面调制耦合形成电行波信号实现高精度位移测量。在对测量系统测量原理分析的基础上,建立了该系统的理论模型和误差模型,通过仿真详细分析了该系统在时间相位不正交、空间相位不正交以及结构安装不平行时的误差规律。开展实验验证了一次、二次和四次谐波的产生原因,根据误差来源改进了测量装置的结构,优化了相应的参数。实验结果表明:在180mm测量范围内,用栅距0.6mm的测量系统实现了±0.4μm的测量精度。该测量系统规避了现有光栅精密刻划的问题,结构简单、安装方便,为光学位移测量提供了新思路。     

基于双环形旋涡相位调制的多焦点产生

为提高光学显微成像及微粒控制的效率,提出一种通过双环形旋涡相位板对入射光为拉盖尔高斯柱矢量光束进行波前相位调制的多焦点产生方法。通过Debye矢量衍射理论分析了该相位板对焦点区域光强分布的影响。分析表明,经调节内外环旋涡相位拓扑数及内环的半径,可以对焦点区域光强分布进行整形,在焦平面上产生多焦点,而且通过改变入射柱矢量光束的偏振态,可以进一步得到光场由轴向分量为主的多焦点及由横向分量组成的多焦点。通过改变旋涡相位板的拓扑数及光束的参数,可以达到对光斑的数量的控制。这对于捕捉折射率高于周围环境折射率的微粒具有重要的应用价值。     

坐标缩放激光角谱传输及在激光光学系统中的应用

提出了坐标可缩放的激光传输角谱算法,用于评估激光光学系统性能并分析其系统公差。考虑Collins公式可用于计算激光光束在光学系统中的衍射传输过程,对该积分公式进行了坐标代换,将衍射积分公式转换为角谱传输过程,并引入坐标缩放因子,实现了目标面尺寸的自由选择,提高了激光传输计算的准确性。设计了一套激光传输系统,定义占有86.5%桶中功率的光斑尺寸为光斑半径,用提出的算法对激光光束传输公差进行了分析。分析表明:作用距离为90m时,焦面激光光斑的半径为0.8~1.4mm,期望值为0.92mm,实验测量值为1.01mm;作用距离为49m时,焦面激光光斑的半径为0.42~0.73mm,期望值为0.48mm,实验测量值为0.46mm,实验结果与公差分析相符。另外,通过公差分析验证了激光光束在光学系统中的焦移现象。由角谱法对激光传输系统的理论分析与实验结果相符,证明了该方法用于激光聚焦光学系统设计的可行性。     

基于刀口法的激光横向变形检测与标定方法

为测量材料的横向形变,提出了一种基于刀口法的激光横向变形检测与标定方法。通过控制遮挡板的精密机械运动来模拟刀口切割射向光电探测器的矩形光束,从而改变光电探测器接收的光照强度以检测光斑能量分布情况并建立光照强度与刀口运动位移的对应关系,最终根据位移与光强度的线性关系检测矩形光斑能量匀化状态并对移动的位移进行反向精确标定。试验得出:曲线交点坐标相对误差不高于1.63%,且遮挡板不同运动模式以及多点位实验中,矩形光斑中间1mm区域线性决定系数均为0.998,表明该方法可以借助精密控制的遮挡板的机械运动模拟材料的横向形变,为材料横向形变测量提供便利的检测模拟手段和方法。     

单像素复振幅成像及实验分析

光场的光强信息和相位信息成像在医学、光学测量、三维成像等领域至关重要。设计了一种无需参考光束即可实现光场复振幅成像的单像素成像系统。该成像系统通过相位型光学掩模对光场信息进行调制，利用无分辨率的光电探测器探测调制后的光强信息，应用phaselift算法恢复光场的光强与相位信息。利用单像素成像系统对衍射光场及透明聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜物体进行了成像实验，从成像结果中可以清晰看到衍射环的光强信息与相位信息。实验中物体薄膜的相位差为0.053，刻线宽度为220 μm，实验得到图像相位差为0.046和刻线宽度为256 μm，与传统检测手段得到的图像信息非常接近。该系统的成像光路无需参考光束，系统简单便于集成，促进了便携式成像系统的发展，可应用于宽光谱成像，在光场复振幅成像方面具有较大发展潜力。     

基于正弦相位调制的光纤干涉位移测量系统研究

针对全光纤干涉仪工作距离短、测量范围小等问题,提出了一种基于正弦相位调制的全光纤干涉系统,在参考臂通过电光调制器引入的调制参考光,与探头接收到的目标反射光产生干涉。根据锁相放大原理从干涉信号中提取出正交分量后,首先建立由正交分量构成的观测模型,通过卡尔曼滤波对正交分量的幅值和偏置进行迭代估计和修正,降低由相位延迟、调制深度漂移、寄生干扰等导致的幅值漂移和附加偏置;然后利用反正切法对反射光与参考光之间的相位差进行解调。开展了模拟干涉信号的相位解算仿真模拟和位移测量实验。仿真和实验验证了该算法解算相位的有效性。结果表明,该位移测量系统的工作距离可达到20 cm,测量精度为10 nm。     

线性调频激光自混合干涉双通道微位移测量方法研究

为了满足工程中一些特殊二维位移测量需求或提高位移测量效率,建立了结构简单紧凑的激光自混合干涉双通道 位移测量系统。 首先,基于三镜法-珀腔模型给出自混合干涉系统的数学方程。 其次,在弱反馈条件下施加线性电流调制, 依据自混合信号频率和外部物体距离的线性关系,当两个物体到激光器距离不同时,频域会呈现两个独立的谱峰,分别对其 进行相位解算,从而实现自混合双通道位移测量。 然后,数值模拟生成了双通道激光自混合信号,根据全相位频谱分析技术 对自混合信号两个谱峰的相位进行估算,重构了两个物体位移曲线,给出了仿真验证。 最后,搭建了实验系统,进行了自混 合干涉双通道位移测量实验,并给出实验测量结果。 实验结果表明,该系统可以完全区分两个运动物体,位移测量相对误差 优于 8. 42% 。 线性调频激光自混合干涉可以实现任意运动规律的双通道位移测量,通过继续分光其测量通道数仍可进一步 增加。     

数字全息术用于光学元件表面缺陷形貌测量

利用像面数字全息显微术对光学元件表面缺陷的三维形貌测量进行了理论及实验研究。设计并搭建了相应光路系统记录全息图,采用角谱算法数值重建物光场,通过相位修正消除了系统误差引入的波前畸变,获得了经过待测光学元件表面缺陷调制的物光相位分布,并根据建立的相位分布与表面缺陷面形的关系模型计算得到缺陷三维形貌。实验以多个划痕和麻点等常见表面缺陷作为测量对象,分别获得了它们的三维形貌,以其中一条实际宽度为35μm、深度为270nm的划痕为例,测量得到该划痕的宽度为35.21μm,平均深度为267.6nm,与真实值相比,横向测量误差为0.6%,纵向测量误差为0.9%。实验结果证实该测量方法是有效、可靠的,能够准确测量光学元件表面缺陷的三维形貌,因而有助于判断光学元件损伤程度以及分析缺陷对系统波前的影响,对保障高功率激光装置的安全正常运行有重要意义。     

基于星座图设计的矢量调制误差计量方法研究

提出了一种基于星座图设计来实现对矢量信号发生器输出数字调制信号的调制误差进行准确设置的新方法,给出了方法的理论推导过程、方法的实现,以及实验验证.该方法可以用于实现对矢量信号分析仪在非零调制误差处测量准确度的校准,也可以用于数字调制误差参数量值比对传递标准的研制中.     

采用相位调制方法的光纤干涉仪

为了实现小巧紧凑且使用灵活的大量程位移测量,提出了一种采用相位调制方法的光纤干涉仪。首先,介绍相位调制方法,分析内调制与外调制的特点,指出由于内调制的局限性,外调制更适于较大量程的位移测量。然后,用数学推导和MATLAB仿真对已有的位移解算算法中的反正切法与微分交叉相乘法进行分析,证明在毫米级量程的位移测量中反正切法优于微分交叉相乘法。最后,搭建了采用相位调制方法的光纤干涉仪,并进行了实验验证。实验结果表明:相比于微分交叉相乘法,反正切法更适用于毫米级以上量程的位移测量,基于相位调制的光纤干涉仪在毫米级步进运动中的相对误差最大为255.21nm,标准差为78.56nm,基本满足高精度大量程的位移测量需求。     

基于荧光成像的准分子激光系统多路光束自动准直

研究了基于准直光束成像的准分子激光主振荡功率放大(MOPA)系统的多路光束自动准直,实现了激光在放大器中的多程放大及高的靶面指向精度。采用352nm He-Cd激光作为准直光源,提出了多光束感光屏同步接收与可见光CCD荧光成像相结合的复合图像采集技术,解决了自动准直系统多路激光的近场、远场图像获取问题。利用图像区域分割处理方法编制了准直信息处理软件,实现了对多光束的自动准直闭环反馈控制。最后,结合准分子激光MOPA系统中的预放大器光学设计进行了自动准直验证实验。结果表明:准直成像光强可调谐倍数为300,成像系统在放大器窗口处固有误差占放大器口径比例小于设计值1.08%,3路激光的自动准直时间为40s,完全满足放大器的几何填充和能量提取要求。     

长波红外广角地平仪镜头的光学设计

介绍适用于非致冷凝视式焦平面阵列的长波红外(LWIR)广角地平仪镜头的光学设计.其工作波长范围10～16μm,全视场角为135°.采用"负-正-正"型式的反远距像方远心光路镜头结构,仅有三块非球面锗透镜构成.能够很好地解决广角镜头轴外像差校正和像面照度均匀性问题.此镜头结构简单、体积很小、后工作距离大,成像质量接近于衍射极限,在20lp/mm空间频率处的调制传递函数值超过0.6,像高与视场角关系偏离线性的相对误差不超过15%.文中还分析了此镜头的加工和装调公差.     

电子束泵浦准分子激光放大器的双程光路自动准直

提出了一种电子束泵浦准分子激光放大器的双程光路准直方法,以保证光束在放大器中按照预定方向传输,并使多路光束稳定精确地照射靶面.首先,鉴于准分子放大器中无天然准直基准提出了利用双叉丝像传递光路进行准直的方法,即把输入光束叉丝基准作为“近场点”,把输出光束叉丝基准作为“远场点”,并设计了放大器准直光路,编写了相应的软件.然后,在现有实验室条件下开展了电子束泵浦准分子激光放大器双程光路的自动准直实验.最后,分析了影响该方法的相关因素及准直精度.实验及分析表明,设计的准直系统在较短时间内实现了预定传输光路的自动准直,系统自身精度为0.63μrad,光束最大复位误差为13.75 μm,满足了电子束泵浦准分子激光放大器双程光路自动准直的要求.     

Zemax软件在离轴三反射镜系统计算机辅助装调中的应用

利用Zemax光学设计软件与自编计算机辅助装调软件,实现了对大口径、长焦距、无中心遮拦离轴三反射镜光学系统的装调.通过Zemax软件模拟光学系统的失调模式,得到整个光学系统的波前像差,把波前像差代入到自编的复杂光学系统计算机辅助装调软件中,计算出光学系统的失调量,与引入的失调量对比,证明了其正确性.在实际的装调过程中,用小型球面干涉仪分别收集3个视场的干涉图,得到失调光学系统的失调量,用Zemax软件验证失调量数据的正确性,从而指导装调.按此方法,在波长λ=632.8nm时,得到离轴三反射镜光学系统的全视场波像差RMS值为0.108λ.该方法也可以运用到其他光学系统中.     

Quantification of the modulated structures in TiPdCr alloys

Ti₅₀Pd_(50-x)Cr_xβ₂ alloys (B2, CsCl-type crystal structure) have been investigated as part of an overall study of the systematics of phase transformation behaviour and also for the commercial applicability of the shape memory effect at elevated temperatures. The phase transformations are unique in the sense that electron diffraction and high-resolution transmission electron microscopy of Ti₅₀Pd_(50-x)Cr_x alloys with x between 6 and 10 at.% reveal {110}_B2 modulated structures with periodicities between 3 and 4·5 planes that vary linearly with composition. Satellites along certain <110>* lying at incommensurate positions are observed in electron diffraction patterns and are consistent with transverse lattice displacements. High-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) imaging usually reveals sinusoidal displacements; however, a few images appear ‘banded’ at three- and four-plane intervals suggesting the possibility that three- and four-plane commensurate packets combine to give the overall incommensurate satellite spacing. With the use of a newly developed technique for quantifying atomic displacements from HRTEM images, modulated phases in Ti₅₀Pd₄₃Cr₇ and Ti₅₀Pd₄₂Cr₈ alloys, where atoms are shifted from the cubic lattice sites by a transverse lattice displacement wave, have been studied. The real space displacements of the modulated structures were determined and compared to truly incommensurate and varying three- and four-plane wave packet combinations by examination of the goodness of fit as assessed by the correlation coefficient for a least-squares fit. In the cases of the Ti₅₀Pd₄₃Cr₇ and Ti₅₀Pd₄₂Cr₈ alloys, the incommensurate sine wave exhibited much better matching than the commensurate packets, indicating that these modulations are probably incommensurate.     

Dynamic measurement of first-order spatial derivatives of deformations by digital shearography

This paper presents a simple spatial phase shift shearography based on the Michelson interferometer. A novel digital shearography set-up with a large angle of view, which is based on a 4f system is demonstrated. In the system, the Michelson interferometer is used as a shearing device to generate a shearing distance by tilting a small angle in one of the two mirrors. In fact spherical wave fronts become plane after going through the first lens in 4f system. Tilting the mirror in the Michelson interferometer also generates spatial carrier frequency. Sinusoid fitting method is applied to evaluate the phase. This system can generate a phase map of shearography by using only a single image. The effects of shearing angle, the choice of algorithm and comparison result are discussed in detail. The theory and the application are presented.     

光谱仪动镜倾斜误差分析及其动态校正技术研究

采用了双光束干涉的迈克尔逊干涉仪系统的傅里叶变换红外光谱仪,在动镜运动过程中,动镜可能在三个方向发生倾斜。通过建立干涉面光强分布的二维数学模型,确立了干涉图函数的数学表达式,从调制度、相位误差和频率噪声的角度,对动镜倾斜误差进行了系统分析。在误差分析的基础上,对动镜容许的最大倾斜角度进行了讨论,并对其动态校正技术的要点做了分析。     

Damping analysis of beams covered with multiple PCLD patches

An analytical approach for vibration damping analysis of beams with partial passive constrained layer damping (PCLD) treatments is extended to the case where the structure is covered by multiple patches. The energy-based approach and assumed-mode method are used to derive the equations governing the vibration displacement responses of the system, which is characterized in terms of the identical transverse displacement of all layers, and the longitudinal displacements of the base beam and the constraining layers. Furthermore, the longitudinal displacements of the base beam and constraining layer are independent of each other, which is in contrast to Kerwin's weak core assumption. The direct frequency response method is employed to determine the modal loss factors of the damped beam in a frequency range of interest. A convergence study is made on the damped beam to determine appropriate numbers of the mode functions for frequency response function (FRF) calculations. Parametric studies are performed with the established analytical approach and the determined numbers of mode functions to study the effects of dividing a PCLD patch into two pieces in different length ratios and also the spacing between the patches on the damping performance of a simply supported beam.