He-Ne激光回馈纳米条纹宽度标定方法研究

科技发展需要对各种纳米测量仪器的“纳米”确定性进行检定。介绍了一种基于MSP430F149单片机的Fabry-Parot腔双频高阶弱回馈位移测量系统条纹宽度标定方法,通过计算出测量靶镜运动同一位移时高阶回馈纳米条纹与传统弱回馈半波长条纹的频率之比,精确地标定出激光高阶弱回馈纳米位移测量系统的光学分辨率。测量结果表明系统可溯源的光学分辨率为10.37 nm,加入20倍电细分后系统最终的分辨率为0.53 nm。     

Nd∶YVO4激光器双折射外腔回馈位移测量系统研究

对在回馈外腔中插入波片产生的激光双折射外腔回馈相位差现象进行理论分析、仿真以及实验验证,基于该相位差现象搭建Nd∶YVO4激光器双折射外腔回馈的位移测量系统,采用条纹细分计数法对该位移测量系统产生的信号进行细分计数,实现位移的精密测量。将Nd∶YVO4激光器双折射外腔回馈位移测量系统与安捷伦干涉仪进行对比,对比结果表明:该系统的分辨率为26.6 nm,量程为14 mm,线性度为6.223×10-5,标准差为0.372 μm。     

正交偏振激光回馈干涉仪稳定性提高方法研究

激光回馈技术灵敏度高,并且无须配合靶镜就能够测量诸如黑色、粗糙的目标的位移或形变。为了消除环境（气压、地基震动、温度漂移等）对测量精度的影响,设计、构建了稳定的微片正交偏振激光器,采用半导体激光器泵浦微片;搭建了包括光学、电路的完整的正交回馈干涉仪系统,系统工作稳定,实现了远距离处测量。这一系统能有效地减小环境对测量的影响,提高激光回馈干涉仪的精度。     

采用Nd:YAG微片激光器的激光回馈干涉仪的研制

微片激光器具有极高的光回馈敏感度,在回馈测量技术中占据重要地位。准共路激光回馈干涉技术在保持了微片激光器的高光回馈灵敏度以及外差式光回馈相位测量方法的高分辨率等优点的同时,通过频率复用技术消除了回馈干涉仪的空程带来的负面影响,大幅度地提高了回馈干涉仪的抗环境干扰能力。它可以进行非配合目标的非接触式精密位移测量,从而填补了现有激光干涉仪在精密位移测量应用方面的一个空白。通过与Agilent5529A双频激光干涉仪多次比对,得到回馈干涉仪目前达到的指标为:线性度优于3×10-5,量程50 mm,标准差在200 nm左右。     

固体微片激光回馈技术在远程振动测量中的研究

激光回馈技术具有极高的测量灵敏度，在振动测量中具有突出的优势。在激光回馈理论和技术的基础上，研究并提出了基于激光回馈技术的远程振动测量方法，构建了完整的固体微片激光远程振动测量系统，详细分析了系统各个部分的基本结构及其工作原理，并在实验中很好地实现了不同频率振动信号的测量及恢复。该研究将振动测量的工作距离提高到25 m以上，实现了远程微振动的非接触测量，拓展了激光回馈技术的应用。实验系统具有较大的振幅与频率测量范围，在振动测量方面具有突出的性能，能够适用于多种场合和目标的振动测量需求。     

基于Nd:YAG激光回馈干涉效应的PZT精密测量技术与系统

压电陶瓷在精密控制中具有重要作用,而其在快速控制中的实际高频响应却缺少有效且精密的方法。总结了目前测量压电陶瓷特性的方法,分析了测量中存在的困难和不足,使用基于激光回馈干涉原理的Nd:YAG微片激光回馈干涉测量系统对压电陶瓷的动态特性进行了研究。使用两种压电陶瓷在100 Hz~7 kHz驱动电压下对位移响应进行了测量,相应测量位移范围7~34 nm。测量精度达到纳米量级,对较高的振动频率实现了准确测量。该方法具有很高的测量精度,对被测对象要求较低。     

光杠杆式nm级微位移激光测量系统的研究

提出了一种全新的nm级微位移测量方法，改进了传统光杠杆测微位移的原理，研究开发了一种激光微位移测量系统。该方法可以将微位移量放大10^2量级以上，测量系统的理论分辨率为4nm、实测分辨率小于10nm，实验验证了该系统的可行性和可靠性。该系统适用范围广、灵敏度高、重复性好和结构简单，便于构成微电机系统（MEMS），实现系统微型化及自动化。     

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。     

HeNe激光双折射外腔回馈位移测量仪研究

基于单模激光器的双折射外腔回馈位移测量系统能输出两路回馈条纹信号,且条纹相位差不受回馈外腔长的影响,因此在研制大量程、高分辨位移测量系统方面极具潜力。开展了双折射外腔回馈的相关现象研究,研制了性能优良的位移测量仪器。稳频和回馈外腔扫描技术相结合,进一步提高了系统的频率稳定度（优于10-7）和抗干扰性能力。试验对系统进行了零漂、拍频和比对测试,其量程超过200 mm,分辨率为15.82 nm,线性度优于2.310-7。分析了系统的主要误差来源,估算了总的测量误差为0.21 m。回馈位移测量仪具有结构简单、分辨率高、线性度好以及测量范围大的优点,工业应用前景广阔。     

基于激光回馈干涉系统的PZT迟滞特性测量

压电陶瓷迟滞特性对精密控制系统的精度具有重要影响,目前PZT迟滞特性的测量方法精度较低或者测量系统复杂,难以实现高精度测量。总结分析了目前测量压电陶瓷特性的方法,并使用基于激光回馈干涉原理的微片激光回馈干涉测量系统,利用物体表面的散射光对压电陶瓷的迟滞特性进行测量和分析。该方法不需靶镜,对被测对象要求较低,测量便捷,测量精度达到纳米量级,对精密控制系统中压电陶瓷的校准测量具有重要意义。     

相位凝固技术中干涉信号调制解调误差分析

为了进一步减小基于相位凝固技术的激光反馈干涉系统测量运动物体微位移时的测量误差,采用MATLAB数值仿真及曲线拟合的方法,对移相间隔和外腔反射面振动幅度引起的系统误差进行了理论分析。在系统实验中依据相位凝固原理对物体运动产生的干涉信号进行采样,获取多组光功率曲线,在光功率曲线上实时判向并标记特征点。根据特征点重构被测物体的微位移曲线,对重构得到的微位移台阶曲线进行多项式拟合以提高测量精度。结果表明,在固定移相间隔为/5、激光器波长为1550nm的情况下,测量分辨率优于/20(77.5nm),实际测量的绝对误差最大值为47.98nm,峰峰值误差平均值小于1nm。相位凝固技术调制解调干涉信号为微位移的方向辨识和高精度测量提供了新的解决方案。     

基于分布反馈激光器布里渊散射的高精度光谱测量

实现了一种基于光纤中受激布里渊散射(SBS)效应 的高分辨率光谱测量技术。使用连续可调谐分布反馈(DFB) 激光器作为泵浦光,与待测信号光在单模光纤(SMF)中发生受激布里渊放大相互作用,由此 实现对待测光的高分 辨率光谱测量与分析。DFB激光器的波长扫描通过高精度温度调谐来实现。与相关报道 中使用的外腔 可调谐激光器对比,DFB激光器具有体积小、成本低的优势。同时在波长扫描过程中,对DFB 激光器的输出光进行自 拍频处理获得其实时扫描速率,以此校正激光器的实时扫描波长,提高测量准确度。实验 初步验证了本文高分辨率光谱测量技术的可行性,并获得了0.24pm 的光谱分辨率。     

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。     

基于激光回馈效应的应力测量系统研究

玻璃材料的内应力直接影响玻璃零件加工质量和光学器件使用寿命,在航空航天、精密光学系统,精密加工等领域受到高度重视,高灵敏度,大测量范围的应力检测技术已经成为当前的研究热点。本文提出一种基于激光回馈效应的应力测量方法。激光回馈系统由激光器和外部反射镜构成,待测样品放置在回馈外腔中。由于应力引起的双折射效应,带有应力的样品使外腔分裂为两个“物理长度”,不同的外腔长决定了不同偏振方向的回馈光相位,通过提取相位差信息,可获得应力的大小。从理论上分析了回馈系统中激光器的输出光在正交方向的相位与外腔应力双折射的关系；通过傅里叶变换的方式得到双折射外腔激光回馈系统光强调谐曲线的相位信息；最后,采用激光回馈系统对不同的飞机座舱有机玻璃样品内应力进行了测量,并给出测量结果。该方法具有结构简单、精度高的优势,并且具有应用于玻璃材料生产线、改进制备工艺的潜力。     

高分辨力单轴法线跟踪测量方法

为实现对大曲率表面轮廓进行高效、准确的非接 触测量,提出一种基于差动共焦原理的单轴法线跟踪式测量 方法,具有高分辨力和高信噪比的优点。分析了影响系统分辨力的因素,研究了在入射光为 高斯光束时倾斜对于差动 共焦探测的影响,通过理论模型及实验验证了光束倾斜时针孔偏移及针孔大小的最佳尺寸。 建立了相应的传感系统,实验表明,所建系统可以很好地跟踪被测表面,其轴向分辨 力优于5nm,组合高精度激光干涉测长系统后可用于大曲率表面轮廓的精密测量。     

激光强回馈系统的动态调制稳频技术

激光强回馈系统与弱回馈系统相比,在无任何电子细分条件下就可获得纳米级的分辨率。但是,由于其回馈水平高,容易发生模式转换或偏振跳变,稳频十分困难。提出了一种激光强回馈系统的动态调制稳频方法,研究了动态调制稳频中的零点定位、清零补偿等关键技术及算法。实验结果表明,通过采用动态调制稳频技术,消除了激光强回馈系统中的模式转移及偏振跳变现象,获得了调制均匀、幅值相等的回馈条纹,有效地解决了激光强回馈系统的稳频问题,大大提高了系统的抗干扰能力,对进一步研究高精度强回馈测量系统具有重要意义。     

漫反射成像法的激光参数测量系统设计

精确地测量激光在大气传输后的光斑参数,是研究激光大气传播效应和分析激光发射系统性能的关键技术手段。测量激光远场参数的方法主要包括阵列探测法和相机成像法,目前在激光大气传输效应的测量评估中大都采用阵列探测法。由于探测器阵列靶受物理空间和研发成本等因素的限制不能均匀且高分辨率紧密排布,将造成采样光斑的失真,难以精确地测量远场光斑参数。针对此问题,利用相机分辨率高的特点,设计了一套基于漫反射屏成像法的激光参数测量系统。该系统最小测量分辨力小于0.39 mm,质心位置平均偏差为0.05 mm,测量光斑到靶功率不确定度优于10%。该系统能有效地测量激光发射系统的跟瞄精度和到靶功率,为分析激光大气传输效应和分析激光发射系统性能提供有效手段。