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。     

用于相位缺陷检测的动态泰曼干涉仪

为了实现光学元件相位缺陷的大视场、高分辨率、动态检测,设计了一种动态泰曼干涉仪。该干涉仪采用短相干激光器结合迈克耳孙干涉结构产生1对相位延迟的正交偏振光,以此作为光源,通过匹配偏振型泰曼干涉仪干涉腔的相位差,补偿参考光与测试光之间的相位延迟。利用偏振相机瞬时采集4幅移相量依次相差π/2的干涉图,通过移相算法即可求解得到相位缺陷的信息。利用平面波角谱理论进行仿真,分析了二次衍射对测量结果的影响;利用琼斯矩阵法分析了偏振器件误差对测量结果的影响。实验检测了1块激光毁伤的光学平板,测试结果与Veeco NT9100白光干涉仪测量结果相比,相对误差为2.4%。此外,采用所述方法对强激光系统中光学平晶的相位疵病进行检测,测试结果显示波前峰谷值为199.2nm。结果表明,该干涉仪能够有效应用于光学元件相位缺陷的检测。     

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。     

激光合成波长纳米测量干涉仪的非线性误差分析

描述了激光合成波长纳米测量干涉仪的测量原理,分析了非线性误差对该干涉仪的影响,得出了由偏振光非正交、椭偏化和光学元件偏振非正交及椭偏化等对该干涉仪造成的非线性误差为偏振态误差的二阶或高阶小量。进行了激光合成波长纳米测量干涉仪和激光外差干涉仪的对比实验,结果表明激光合成波长纳米测量干涉仪的最大误差为2.1nm,优于激光外差干涉仪的最大误差7.5nm,验证了激光合成波长纳米测量干涉仪的优越性。     

激光工作物质的高精度检验

一、引言 光学干涉仪是测量光学元件面形、评价透镜质量最常用的手段。七十年代人们将微型电子计算机及相位探测技术应用到干涉计量上,使干涉条纹的数据处理成为独立系统而将高精度光学元件的检验发展到一崭新阶段。美国贝尔实验室首先研制成带微型计算机的条纹扫描干涉仪,使干涉条纹的测量精度由λ/10提高到λ/50～λ/100。我们运用MarkⅢ型干涉仪测量了各种光学元件及光学材料的质量,对仪器的性能进行了分析和讨论。 二、实验结果和讨论 Mark Ⅲ型激光数字波面干涉仪是将位相测量技术应用于费索干涉仪上,利用实时相位同步检     

激光自混合干涉仪的实验研究

分析了激光自混合干涉仪位移测量误差及特点 ,提出了干涉仪的设计原则。对激光自混合干涉仪的系统稳定性与测量分辨力进行了实验研究 ,给出了改善系统稳定性与测量分辨力的有效方法。     

用于在线检测的紧凑型多测量模式干涉仪

光学干涉仪由于高精度、全口径、非接触特点在光学元件的检测中具有极其广泛的应用。针对光学元件加工在线检测需要,提出了一种紧凑型的多测量模式瞬态干涉仪。该系统可同时实现单波长激光干涉、多波长激光干涉以及LED干涉显微测量等多种工作模式,以分别满足不同动态范围宏观面形以及表面粗糙度等显微结构的干涉检测。针对在线检测应用中复杂的环境振动影响,系统采用偏振相机来实现瞬态的偏振移相波前检测。为验证系统方案的可行性,对测量系统的主要误差因素进行了分析,并对不同工作模式下的金刚石车削机床在线检测结果与Zygo激光干涉仪和Zygo光学轮廓仪进行了比对实验,同时也利用多波长技术对自由曲面进行了在线检测。结果表明该系统可实现高精度的多测量模式,并且还可以满足大动态范围波前测量要求。该系统结构紧凑,整体尺寸仅为195 mm×160 mm×65 mm,极其适合车削机床的在线安装及检测。同时系统基于瞬态波前检测,具有对环境扰动不敏感的特点,在机床对中工具在线调整以及加工元件等在线检测中具有广泛的应用前景。     

一种纳米精度偏振干涉仪光学系统的研究

本干涉仪采用偏振测量和偏振接收装置。对干涉仪光路中激光的偏振态转换进行了详细的理论分析,对偏振干涉仪以及双频干涉仪的研制具有借鉴意义。该装置的重复性试验表明干涉仪重复性在30nm之内,说明干涉仪的性能比较可靠。如果对环境条件进行严格的控制,会得到更高的测量精度,有望实现纳米精度测量。     

面向大振幅、长周期振动校准的零差正交激光干涉测振方法

针对零差正交干涉测量应用于超低频超大振幅标准振动台性能测试时非正交相移误差补偿困难、所需采样率极高的问题,提出了一种欠采样零差正交激光干涉测振方法。在设计消偏振分光测量光路的基础上,提出波片偏航调整方法,进行非正交相移误差的硬件实时补偿;提出基于运动状态预估的卡尔曼正交信号解调算法,对深度欠采样的干涉条纹进行相位信号解调,以大幅降低所需的采样率及产生的数据量。实验和仿真结果表明,文中方法可大幅降低零差正交干涉的非正交相移误差及其对波片角度偏差的灵敏度,且在测量超低频振动时,卡尔曼正交信号解调算法所需的采样率和每通道数据采集点数降低至奈奎斯特采样定理的0.056%。文中提出的欠采样零差正交激光干涉测振方法较好地满足超低频超大振幅标准振动测试的需求。     

便携式散斑干涉仪的光路安排

数字散斑干涉(DSPI)是精密检测领域常用的一种测量技术，目前一般的数字散斑干涉系统使用大功率激光光源和大型光学实验平台，仅适用于实验室研究工作。为实现数字散斑干涉的工程现场应用．本文提出一种新的便携式数字散斑干涉仪的光路安排，它采用和小功率激光器相适应的光路配置，结构紧凑，体积小巧．在光源小型He-Ne激光器输出功率仅为5mW的条件下，仍然能在实验中获得良好的干涉条纹图，其对比度可以和利用20mW的激光得到的条纹图相比拟，有效地提高了激光的利用率。通过理论分析和实验验证，对该便携式数字散斑干涉仪的合理性进行了论证。     

光程差倍增的纳米级精度激光干涉仪

介绍了一种新型的纳米级精度位移测量激光干涉仪。提出了耦合差动干涉的新方法。通过对光程差进行倍增 ,提高了干涉仪的分辨率和稳定性。该干涉仪结构简洁紧凑 ,光路布局对称性好 ,不存在死光程 ,容易装调 ,符合阿贝原则和结构变形最小原则 ,在 10 mm (可以扩展至 50 mm )测量范围内 ,获得了λ/16 0 0的分辨率和纳米级的测量精度。     

基于菲索干涉仪的边界层测风激光雷达研究

分析了多光束菲索( Fizeau)干涉仪的光学特性,以及影响干涉光谱性能的参数,并研 究了激光雷达系统接收信号能力,提出了一套基于Fizeau干涉仪和CCD探测器的边界层测风激光雷达系统。利用标准大气参数和切合实际的激光雷达系统参数,对干涉仪进行优化设计模拟计算,得到了合理的参数,满足边界层1m / s风速测量精度要求。     

基于等光频细分重采样的调频干涉测距方法

为了解决调频连续波(FMCW)激光器调制非线性导致的测量信号频谱展宽降低激光干涉测距精度的问题, 采用一种基于等光频细分重采样的调频干涉测距方法, 进行了理论分析和实验验证, 获得了双光路测距系统对不同位置目标信号等光频细分重采样后的波形数据, 并进行了频谱分析。结果表明, 通过等光频细分重采样的方法, 使用细分后的时钟信号点对距离大于辅助干涉光路光程差的目标测量信号进行重采样, 消除了激光器的调制非线性的影响, 并且避免了采样点数不足引起信号失真的问题; 在4.3m测量范围内, 等光频细分重采样测距系统与激光干涉仪相比最大残余误差不超过±18.46μm, 最大测量标准差为23.39μm; 该方法使用的辅助干涉光路光程差很短, 受环境的影响较小, 可以获得稳定的时钟信号, 并且可以减少双光路FMCW测距系统的体积与成本。该研究为长距离、高精度调频连续波测量提供了实用参考。     

基于液晶空间光调制器的同步移相共光路干涉技术

为了实现透明物体的相位测量,提出一种基于液 晶空间光调制器(LC-SLM)的同步移 相共光路干涉 方法。在由4f光学成像系统构成的三窗口共光路干涉仪基础上, 利用LC-SLM的灰度调制能力,在 LC-SLM上加载光栅进行频域滤波,进而通过1次曝光获得3幅移相干涉图实现相位测量。 给出了本文 方法的相位恢复数学模型,并通过光学实验对本文方法和标准四步相移算法的性能进行了比 较,最后通过重 复实验对方法的稳定性和重复性进行了评估。结果表明,本文方法具有较好的相位恢复效果 ,而且稳定性和重复性以标准差表示时分别可达0.032rad和 0.073rad。     

基于偏振差分干涉技术声表面波检测系统研究

针对宽频声表面波的高灵敏度检测需求,研究设计搭建了基于偏振差分干涉技术的激光声表面波检测系统。实验中从干涉条纹可见度和差分信号的大小来评估系统的调试效果,利用压电陶瓷纳米位移台和SIOS干涉仪对检测系统进行测试和标定,得到系统的最小静态、动态检测位移;对系统各组成部分的噪声信号进行分析,并提出相应的抑制方法。最后对系统进行重复性测量,并对铝、硅样片上的激光声表面波信号进行检测。本研究为声表面波检测系统的性能评估提供了科学可行的方法,为声表面波技术在无损检测中的应用提供了一种可靠的测量手段。     

基于偏振合束的相移雅满剪切干涉仪

相移雅满横向剪切干涉仪非常适合于达到衍射极限的光束的波面检测。为了改进现有的在两路剪切光束中直接插入起偏器的相移雅满剪切干涉仪,提出了一种基于偏振合束的相移雅满剪切干涉仪。该剪切干涉仪利用雅满平板前后表面的反射进行分束并形成两路干涉光束,两路干涉光束分别通过剪切平板后偏振合束并进行偏振移相。它保持了常规雅满剪切干涉仪的光路结构,提高了剪切干涉图的对比度,不再存在插入起偏器引入测量误差的问题。构建了改进前、后的两种相移雅满双剪切干涉仪,并进行了相应的对比实验,实验结果很好地验证了基于偏振合束的相移雅满剪切干涉仪的实用性。     

精密测量圆柱形工件内径的新途径

本文提出一种对圆柱形工件内径进行精密测量的新方法。激光改变了机电行业目前传统的手工检测方式,使测量精度从10微米量级提高到微米量级。该测量方法基于迈克尔逊干涉仪原理和光电检测技术,用光分束器将干涉仪的光路延伸到工件中。通过对干涉条纹的观察跟踪,实现对工件的准     

低膨胀固体材料线膨胀系数的干涉测量方法

固体材料的线膨胀系数在精密仪器产业及高精度实验领域是一个非常重要的物理量,要实现对线膨胀系数较低的固体材料进行测量,通常采用激光干涉的方法。采用光路补偿的方法,即激光干涉仪中两干涉臂同支架来测量低膨胀固体材料的线膨胀系数,不但能够抵消支架膨胀对材料受热伸长的影响,还有效地抵消了地面振动对干涉仪的影响,并能够对线膨胀系数在10-6/℃量级的材料的线膨胀系数进行测量。如果改进试验工艺,且采用条纹稳定技术,该方法可以用于更高量级的线膨胀系数的测量。     

移相式激光干涉仪抗振技术的研究进展

现代移相式激光干涉仪在光学表面检测和光学系统像质评价中得到广泛的应用,但移相干涉术容易受到环境振动的干扰,时域移相的采样准确性受到影响,难以达到高精度测量的目标。为了进行振动环境下的在线测量,必须采用有效的抗振技术,目前具有这种抗振功能的干涉测试技术日益受到重视。从移相干涉图的采集、干涉仪的光学结构、振动的探测与补偿等角度介绍了移相干涉仪抗振技术的研究进展。     

消偏型Sagnac光纤管道泄漏检测系统及其稳定性研究

管道作为石油、天然气、自来水等的主要运输工具,其运行安全性已受到广泛关注。管道腐蚀穿孔引起的持续性小规模泄漏的及早发现与准确定位是管道运行安全的主要问题和难题。利用Sagnac光纤干涉仪对管道小泄漏进行监测和定位时,光波偏振态的随机变化直接影响到Sagnac环中两束相干光的干涉效果,从而影响直线型Sagnac光纤干涉仪的性能。提出了采用光学消偏的方法抑制偏振态对Sagnac干涉仪性能的影响。通过改进干涉仪的结构,在Sagnac环中加入光纤延时环消偏器,从而提高系统运行稳定性。实验结果表明,该方法能够较好地解决偏振态变化引起的检测灵敏度降低的问题。