激光回馈双折射测量系统稳频技术研究

波片、晶体等自然双折射元件广泛应用于各种光学系统中。普通光学元件在加工、镀膜等过程中会引入残余的内应力,形成双折射。双折射会对整个光学系统的性能产生影响,需要对其进行精确测量。基于激光回馈效应,利用偏振跳变中光强调制曲线与双折射的线性关系,构建了光学元件双折射测量系统。通过引入稳频技术,使激光器长期稳定单纵模运转,增强了激光器的抗干扰能力,提高了系统的稳定性。实验结果表明,构建的激光回馈双折射测量系统测量精度优于0.24,重复测量最大偏差0.13,标准差0.06,稳定性好,可靠性高,可实现在线测量。该系统有潜力应用于微小应力的在线测量,如飞机座舱盖、汽车玻璃等。     

两相对旋转的四分之一波片的激光回馈效应

为解决激光回馈在测量较小双折射元件的相位延迟时存在锁区的问题,研究组合1/4波片在He-Ne激光器回馈外腔中的回馈效应,通过在回馈外腔中放入两片1/4波片,旋转其中一片波片,改变两波片的快慢轴夹角,会产生偏振跳变现象。实验发现,当两波片的快慢轴的夹角改变时,偏振跳变现象一直存在并且跳变点的位置在改变,即组合波片相位延迟可以实现连续变化。当两波片的快慢轴夹角在0°～90°范围内变化时,5次重复实验发现,组合波片的等效相位延迟可从19.79°变化至160.06°,重复测量最大偏差为0.6°,最大标准差为0.25°。组合波片可应用到激光回馈测量微小双折射元件测量当中,作为偏置元件为测量系统调制出所需补偿的相位延迟。     

回馈中的若干激光物理效应

文中将两个激光物理概念"激光回馈效应"和"正交偏振激光"交叉结合,并向"纳米干涉技术"应用渗透产生新的结果."激光回馈效应"(又称激光自混合效应)是激光器的十分重要的物理现象,当激光器输出光束被前进路程上的反射面反射回激光内部时,这一现象总要发生."偏振"也是大多数类型的激光器输出光束的特性.腔内有量子阱、布儒斯特窗、双折射元件等偏振机制或元件时,激光器必是偏振输出.即使无此类元件,大多数类型激光器输出的每一个纵模(频率)也都是线偏振的,且相邻的两个纵模经常是正交偏振的.作者课题组发展了新类型的HeNe和Nd:YAG微片激光器:正交偏振激光器(双折射双频激光器)输出两个模(频率),模间隔可调且偏振态垂直.作者意识到,模(频率)间隔的改变(特别是很小的间隔)导致模竞争强度改变.还认识到,正交偏振特性正好可利用来研究这种改变:可用偏振分光镜将正交偏振激光束中的两正交模分开,以研究每个偏振态各自的特性和它们之间的相互作用.在研究之前,人们对外腔调谐的研究都是用一个反射镜将激光输出的光束的全部纵模(频率)反射回激光器.这就意味着不区分纵模多少及其间隔大小,不区别激光输出的偏振状态,不顾及激光频率之间的竞争.如果说以往是站在激光器外头研究回馈,研究是进入激光器内部研究回馈:由偏振器件将两正交偏振频率分开,研究每个偏振频率的回馈行为,研究它们之间的相互影响.作者课题组取得的主要发现点包括:(1)设计了(单模激光器腔调谐+PBS分开正交偏振两成分)的方法研究激光器模间作用、光强改变及偏振特性.(2)双折射双频激光器、M3弱反射并调谐:o、e光强度曲线均为类正弦;两频频差小于200 MHz时,o、e曲线的位相差随频差变大而减小;两频频差大于200 MHz时,o、e曲线位相差为相对腔长和相对频率分裂量的乘积.(3)双折射双频激光器、M3中等反射率并调谐:o、e光强度总是反向变化;一周期分为缓交换区和快交换区;两个等光强点:缓区的高于快区的.(4)单纵模激光器,M3高反射并欠准直,M3调谐:M3每位移λ/80,光强变化一个周期,即生成了纳米光条纹.(5)单纵模激光器,M3高反射并欠准直,M3调谐:M3每变向一次激光偏振态旋转90°一次.(6)外腔内有λ/4片、M3调谐:光强调制曲线倍频,即外腔长每变化λ/4,光强变化一个周期;曲线类似正弦全波整流;如波片快轴与光偏振方向平行或垂直,相邻周期偏振态正交;如波片快轴与激光器偏振方向夹45°角,偏振态不因M3调谐而变.(7)波片置外腔、M3调谐,强度曲线上一种偏振态占据宽度和一个周期宽度之比等于双折射元件位相延迟.(8)双折射一塞曼双频激光器,M3调谐:单偏振回馈,o、e光强调制曲线都为类正弦,变化趋势相反;双偏振回馈,o、e曲线的相位差因M3运动方向不同分别为π/2或3π/2.(9)Nd:YAG双频激光器、M3调谐,M3反射率越大,光强调制越深;频差是外腔自由光谱区1/2的偶数倍,调制深度最小;奇数倍时,调制深度最大.(10)用"任意位相差波片外腔、M3调谐:强度曲线上一种偏振态占据宽度和一个周期宽度之比等于双折射元件的位相延迟"的原理已制成新的波片测量仪,其具有高精度和可在位测量的特点.     

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。     

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。     

激光回馈半钢化玻璃应力双折射测量技术

为了快速准确地测量半钢化玻璃的应力双折射大小,实时监测产品质量,结合半经典理论与三镜腔理论模型,研究了基于激光回馈效应的半钢化玻璃应力双折射自动测量技术。测量装置由精密光学元件及运动平台组合搭建,由偏振光低电平的占空比自动判断样品主应力方向,测量效率较高;采用降低输入电压变化梯度的方法,将输出电压控制在较小的范围内波动,提高了压电陶瓷位移稳定性。结果表明,样品应力双折射的大小由调谐曲线上一个偏振跳变周期内偏振跳变点的位置决定,多次测量的最大偏差为6.1nm/cm,标准差低于2.0nm/cm。该技术具有测量周期短、精度高且重复性好等特点,适用于实际生产中。     

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多普勒测速技术

激光回馈现象得到了广泛的研究和关注,而多普勒测速是激光回馈研究中的一个重要分支。介绍了激光回馈多普勒测速技术的基本原理,以及3种不同类型的基于激光回馈原理的多普勒测速技术,总结了其工作原理以及优缺点,并对激光回馈多普勒测速技术的发展方向进行了探讨。     

激光回馈双折射测量系统波片光轴的自动定位

为了解决传统双折射测量系统在调节光学元件的过程中,结构复杂、耗时长且不状态稳定的问题,采用计算偏振跳变曲线中o光和e光低电平占空比的方法,增加了自动旋转波片的功能,优化出一套具有较高工作效率的双折射测量系统。该系统可自动调整波片快轴方向,使其可对准激光器的本征偏振方向,减少了人为判断波片快轴时可能引入的测量误差。结果表明,波片相位延迟的最大偏差为0.65°,标准差降低28%。双折射测量系统的测量精度及稳定性满足工业化生产的要求。     

基于激光回馈效应的声音检测与重构研究

声音检测技术是振动模态分析、声场可视化、噪声识别与控制和远程侦听等研究的基础和前提,在很多领域都有广泛的应用。基于固体微片激光回馈效应和外差移频相位测量方法,本文利用微片Nd∶YVO4激光器构建了声音检测系统,很好地实现了不同频率声音信号的检测。同时开展了音频信号的识别与检测,重构得到的信号清晰可辩。该系统无需在声场中设置特殊目标或物质,可以实现非接触的声音检测和远距离测量,能够满足多种场合的声音检测工作需要,具有较大的实际意义。     

基于线结构光的反射式平板玻璃厚度测量实验研究

基于光反射原理搭建了平板玻璃厚度测量系统,通过成像镜头将线结构激光在平板玻璃上下表面的反射光在CCD光敏面上成双线像,利用数据采集卡采集图像光强随像素的分布曲线,通过对采集信号进行小波去噪、双峰拟合得到双线像强度峰值像素差ΔN,进而计算得出玻璃厚度。测量前先利用标准玻璃板对测量系统进行标定以确定比例系数k,再对不同厚度的玻璃进行实际测量,并与千分尺的测量值比较,实验结果表明该方法测量平板玻璃厚度可行有效,系统相对误差为0.01。     

不同类型板条形激光玻璃的泵浦功率负载特性

研究了不同类型的硅酸盐板条型钕激光玻璃的热物理性质与其耐泵浦功率密度的关系,并实验研究了某些激光玻璃的激光功率负载性能。     

双束CO2激光切割玻璃的实验研究

为了寻求更加有效的激光切割玻璃的方法,提高玻璃的切割质量,在激光热应力切割玻璃的基本原理的基础上,比较了单束聚焦CO2激光与单束非聚焦CO2激光切割玻璃的优劣,提出了双束CO2激光热应力切割的方法.先用一束低功率聚焦的CO2激光在玻璃表面划线.而后用非聚焦的CO2激光沿着该划线进行扫描,在热应力的作用下使玻璃沿着该划线分离,从而实现玻璃的切割.实验分析了单束和双束CO2激光热应力切割玻璃的切割效果.结果表明,相对于单束CO2激光切割的方法,利用双束CO2激光进行玻璃的切割,既可以保证切缝沿既定方向扩展又可以提高切面的光洁度,是一种比较理想的玻璃切割方法.     

项目驱动的“数字信号控制器原理与实践”课程实验改革

面对目前学生学习兴趣不高、嵌入式系统课程难,如何提高课程教学质量,激发学习热情,需要进行嵌入式系统课程教学模式改革。本文从教学模式概念、理论依据、教学目标、教学方法、实现条件和教学评估等方面,构建动态反馈机制的翻转课程的项目式教学法。通过翻转课程,以项目驱动形式,构建课程网络信息平台,形成动态反馈机制,发现问题,即时调整项目设计和预习方法,达到教学效果最佳。     

液晶显示玻璃基板激光切割热应力场的有限元仿真

激光切割玻璃基板是一个复杂的激光与材料相互作用的过程。为了掌握切割过程中热应力场的动态分布,提高切割质量,提出了一种热应力场的仿真方法。在有限元软件Ansys环境下,建立了三维液晶显示玻璃基板激光切割热应力场的有限元分析模型。采用间接法方式对温度场和热应力场进行耦合;通过APDL参数化编程语言,实现了对激光移动热源及射流冲击换热模型的仿真。仿真结果表明:在切割过程中,激光照射区内表现为压应力,压应力最大值出现在热源中心处;在激光光斑前、后一段距离内及冷却点附近均表现为拉应力。增大冷却效果及减小冷却点与激光光斑间的距离,均可增大拉应力δy的值。     

基于光学零差偏振探测和锁相的合束激光偏振控制

激光偏振合束是提升窄线宽光纤激光亮度的重要技术,能实现多路激光的共孔径合束输出,同时维持较高的光束质量和线偏振态。文中探索和研究了基于线性锁相技术的合束激光偏振控制系统,详细分析和建立了光零差偏振检测物理模型和线性锁相控制环路的数学模型。利用高精度的光零差技术对合束激光的偏振相位进行检测,并通过快速实时反馈进行激光锁相,获得了输出功率为279 mW的线偏振态激光。锁相控制后,合束激光的偏振消光比达到19.3 dB,控制带宽高达39.6 kHz,剩余相位噪声为710-4 rad/Hz（1 Hz）和310-4 rad/Hz。当提高激光输出总功率达1 W时,偏振消光比维持在~15 dB,其限制因素在于光功率波动引入的相位噪声和光斑空间模式不匹配。     

“数字信号控制器原理与实践”课程的教学改革

本文针对“数字信号控制器原理与实践”课程学习难,为激发学生学习热情,需要进行课程教学模式改革。本文从教学模式概念、理论依据、教学目标、教学方法、实现条件和教学评估等方面,构建动态反馈机制的翻转课程的项目式教学法。通过翻转课程,以项目驱动形式,构建课程网络信息平台,形成动态反馈机制,发现问题,即时调整项目设计和预习方法,达到教学效果最佳。为嵌入式系统相关课程教学模式改革提供一种新方案。