激光频率分裂测波片的误差分析和实验评价

本文讨论了利用激光频率分裂技术测量波片位相延迟的主要误差因素,并对其中激光器初始位相延迟和波片非对正引入的系统误差进行补偿.误差分析表明:系统对于多级波片的测量不确定度约为1.7',对于零级波片为0.8',然后针对系统性能进行实验评价,包括:比较波片沿激光轴线对正和倾斜时对测量结果的显著影响,以及测量波片通光面内不同点的位相延迟和波片光轴与其表面的夹角.根据实测结果,系统测量重复性和复现性优于0.02°,不确定度优于2',即约λ/10~4.     

基于激光回馈效应的纳米计量系统

提出了一种基于激光多重回馈效应的纳米计量系统,系统采用非准直平凹回馈外腔结构,使在回馈外腔中往返多次的回馈光束返回到激光谐振腔中,形成高阶回馈效应,得到了高密度、类正弦和位相正交的双频激光回馈条纹。条纹的密度为传统弱回馈的几×10倍,而且回馈条纹以激光波长为尺子,具有可溯源性,在没有任何电细分的条件下达到了nm级的光学分辨率。特别地,通过采用双折射双频激光器,获得了两偏振正交的激光回馈条纹,而且两正交偏振回馈条纹间还具有位相差,位相差的大小主要由双频激光器的频差、外腔长以及回馈阶次决定。利用两正交偏振回馈条纹间的位相关系,可用于识别物体的运动方向。与激光干涉仪的比对实验表明,系统的线性度优于5.2×10-5,光学分辨率为10.2nm,量程大于500μm。     

基于激光回馈效应的液晶双折射特性测量

准确的双折射特性测量对于液晶的实际应用具有重要意义。研究了液晶材料的工作原理,以激光回馈效应为基础,搭建了各向异性外腔回馈双折射测量系统,对不同驱动电压下液晶的双折射特性进行测量。测量结果表明,各向异性外腔回馈双折射测量系统测量精度在0.3°之内;通过施加0~24V交流电压,液晶材料双折射率在2.74×10-1~2.39×10-3范围内变化,对应各向异性呈现出460°~5°的大范围位相延迟值。电压范围在0.7~2V时,电压-双折射率关系表现出较好的线性度,通过线性拟合对该范围内电压-双折射率关系进行计算,其线性度优于95.5%。液晶材料可以提供稳定的位相延迟,同一电压值下的位相延迟短期重复性优于0.52°,长期重复性优于4.5°。     

用于全内腔微片激光器稳频的温度控制系统

温度控制是实现全内腔半导体泵浦Nd:YAG微片激光器稳频的行之有效的手段之一。研究了如何为Nd:YAG微片激光器的稳频提供有效的温控方式。估算出所需要的控温精度波动范围在0.09 ℃以内。依据这一设计目标,介绍了各重要环节的设计过程。通过频域分析法,对温控系统的特性进行分析与调整。通过理论计算将系统改造成了二阶系统最优模型并用实验验证了理论分析。研制了一套用于全内腔半导体泵浦Nd:YAG微片激光器的温控系统,并在两种条件下对系统进行了测试。在室温26 ℃左右的条件下,可以给微片提供18~38 ℃之间的任意温度环境,温度波动范围在0.05 ℃以内;当环境温度在18 ~27 ℃之间任意改变时,系统能将晶片温度稳定在24 ℃,温度波动范围在0.05 ℃以内。     

折叠腔He-Ne激光器中角锥棱镜直角误差分析

首次研究了应用空心角锥棱镜的折叠腔免调试He-Ne激光器系统.根据矩阵光学理论分析了角锥棱镜的直角误差对其光路反射特性的影响,并应用于折叠腔免调试He-Ne激光器系统,定量给出了返回光线偏角误差与棱镜直角误差的线性关系,计算了免调试激光器系统中角锥棱镜直角误差的临界值.这一结果对控制折叠腔免调试激光器中的角锥棱镜加工误差具有指导意义.     

基于Nd:YVO4激光回馈效应的远距离振动测量研究

基于 Nd:YVO₄激光回馈技术,提出了一种实现对远距离微小振动位移直接测量的新方法。相位 测量技术和 移频激光回馈技术的采用,使本文方法不仅有高的分辨率,还有非常高的灵敏度。利用本文 方法对远距离不同目标 进行系统信号信噪比(SNR)测试后,对远距离声音振动进行 测试,清晰还原了声音信号。最后分析了本文方法的 可靠性和测量范围,采用滤除低频噪声的方法,使在15.7m处外界环 境对系统的影响降低到50nm。     

纳米级分辨率双频激光回馈位移测量系统

提出了一种基于双频激光回馈原理的高精度位移测量方法。在分析双频激光回馈测量原理的基础上,研究了双频激光回馈的基本现象并给出了理论依据,进一步的在回馈光学系统基础上,对两路正交的光回馈条纹利用电路进行细分处理：即四倍频细分产生大数计数及在一个大数脉冲内再进行小数细分,最后再将二者相结合。主要采用可编程逻辑器件FPGA和单片机设计信号处理电路,四倍频细分主要利用FPGA实现,小数部分主要通过单片机软件查表程序实现。全部电路并通过逻辑、时序仿真,验证了本方法的可行性。目前此系统满足高精度位移测量的要求。     

激光回馈精密测量技术及应用

介绍了激光回馈干涉的理论模型,阐述了激光回馈测量灵敏度高、装置结构简单、可自准直、能够对非合作目标进行精密测量的技术特点。探讨了激光回馈测量技术在工业和科研领域中的应用方向,包括位移、角度、振动、绝对距离测量等,指出利用倍频复用、频率复用、偏振复用、全程准共路等技术可提高回馈测量的应用性能。分析了激光回馈测量相较传统干涉测量的优势,展望了激光回馈测量技术在科学研究、工业生产、精密制造等领域的应用前景,提出通过提高光源稳频精度、研究不同光回馈水平下的实验现象和理论模型、探索新型激光器的回馈效应等方式,进一步提升激光回馈干涉仪的灵敏度和测量性能。     

第三代激光干涉仪——固体微片激光自混合测量技术的突破

微片激光自混合干涉仪原理上与迈克尔逊干涉仪不同。主要差别是:激光自混合干涉仪的光束照射在被测物上并被反射回激光器被激光器内放大介质放大。作者课题组研究的的激光自混合干涉仪的测量速度达到了1 m/s以上,10 m空程的环境误差小到了40 nm。它具有全固态、可测"黑"目标的位移等性能,又达到了传统激光干涉仪的技术指标。如果第一代光学干涉仪是以光谱灯做光源,第二代光学干涉仪是以He Ne气体激光器做光源的话,固体激光自混合干涉仪因其激光"自混合"原理可看成是第三代激光干涉仪。     

正交线偏振激光器及其在精密测量中的新应用

介绍了正交线偏振激光器及其在精密测量中的新应用,包括:1)正交偏振双频激光器,2)纳米激光测尺(基于频率分裂的激光器两偏振光竞争位移传感器)测量原理,3)直接利用波片形成频率分裂的波片位相延迟测量原理,4)激光回馈波片位相延迟测量原理.这些新应用的原理,结构简单,可溯源到光波长.如,纳米激光测尺已在应用中,测量范围12mm,分辨力79nm,线性度小于5×10-5,基于频率分裂的波片位相延迟测量系统重复性达到0.3',而激光回馈波片位相延迟测量系统具有在线检测的优点.