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。     

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°。     

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。     

双折射外腔双频激光器光回馈

为了研究双频激光器的光回馈特性,采用双折射外腔光回馈的方法,进行了理论分析和实验验证,取得了双频激光器中条纹倍频现象的数据。结果表明,光回馈系统分辨率提高了1倍,同时利用双频激光器两垂直偏振光间的模竞争,使得倍频条纹的调制幅度明显增大,从而使得光回馈系统的灵敏度大大提高。实验结果与理论分析吻合,这对提高光回馈系统的分辨率是有帮助的。     

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。     

基于透射式激光空气隙干涉的纳米分辨率精密位移测量

基于透射式激光空气隙干涉原理,建立微位移测量系统,实现纳米分辨率的物体微小位移测量。利用外加微小位移并将前后光强度相减的图像处理方法,有效地提高激光干涉图像的信噪比,将掩没于杂散噪声中的干涉条纹提取出来。实验结果表明,该系统的相对位移测量分辨率优于10 nm,绝对位移测量不确定度优于5%。该系统结构紧凑,安装、使用方便,测量分辨率达到nm级,可实现快速、便捷、稳定的测量,适用于临时性的高分辨率精密位移测量需求。     

非准直外腔He-Ne激光自混合干涉

从三镜法布里-珀罗(F-P)腔出发,建立了非准直外腔三重回馈白混合干涉的理论模型,并进行了数值模拟和实验验证.分析了3种情况下影响自混合干涉光强调谐特性的因素:1)准直外腔二,三重回馈;2)非准直外腔二,三重回馈;3)外腔加入λ/4波片时的回馈.实验结果与理论分析相吻合.研究表明,该自混合干涉系统的分辨率达到λ/6;自混合干涉输出信号与腔反射镜的反射率、外腔的准直性以及腔内置入镜片有关;外腔中加入λ/4波片时的自混合干涉信号与非准直外腔自混合干涉信号类似;二,三重回馈自混合干涉信号携带了反射体位移方向信息,因而更易实现位移方向判断.     

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。     

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。     

基于偏振混叠的氦氖激光器纳米测尺系统

提出一种基于偏振混叠的氦氖激光器纳米测尺系统,将双折射元件插入He-Ne激光器谐振腔内产生频率分裂,使激光器变成了频差可调的双频激光器。运用频率分裂、模竞争、双纵模功率调谐等激光物理效应,使用偏振混叠方法和设定浮动阈值,研制了新型的激光器纳米测尺。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纳米量级的分辨率,与激光干涉仪的比对实验表明,该系统的分辨率为79 nm,量程为20 mm,线性度为5.8×10-5,标准差为520 nm。     

用双折射激光频率分裂原理实现的静态与动态测量方法

讨论了用双折射激光频率分裂技术原理实现的静态与动态测量方法;介绍了实验系统和实验结果.该方法具有诸多优越性,例如灵敏度高、频响范围宽、有较强的抗干扰能力和较好的线性等,尤其适用于动态测量.     

基于TDLAS测量HBr化学激光器气体温度

利用可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS）,基于吸收光谱的多普勒展宽原理,对D2/NF3燃烧驱动的HBr化学激光器,进行了光腔和扩压段的气体温度测量实验研究。为了有效地测量TDLAS吸收光谱,选用了主气流中吸收系数较大的HF分子（2-0）振动谱带的R2谱线作为研究对象。实验中利用一台中心波长1 273 nm的分布反馈式（DFB）二极管激光器,搭建了一套基于直接吸收法TDLAS的HBr化学激光器气体温度测量系统。通过对HF分子的吸收谱线进行Voigt线型拟合,获得了多普勒展宽宽度,从而给出了光腔和扩压段气体温度。在进行时域频域变换时,使用了一台自由光谱范围（FSR）为1.5 GHz的F-P标准具用于频率校准。实验测量结果表明,光腔温度约为280 K,扩压段温度约为400 K。实验过程中的碰撞展宽和多普勒展宽的比值小于0.1,表明多普勒展宽为主,能够方便地用HF吸收光谱的展宽来监测光腔和扩压段的气体温度。     

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。     

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。     

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。     

基于适度光反馈自混合干涉技术的微位移测量

光反馈自混合干涉技术是一种新出现的有别于传统双光束干涉的一类新的测试技术。为了在适度光反馈下进行位移的精密测量,提出了一种基于适度光反馈自混合干涉技术的位移测量方法。采用条纹记数法实现大范围位移粗测,具有半波长位移分辨力;然后基于适度光反馈下小数条纹的特点,给出了小于半波长位移测量的方法,从而提高位移测量的分辨力。用绝对精度达3nm的商用压电陶瓷驱动器比对实验,结果验证了这种三角波调制外反射体在普通实验室环境噪声中可以达到纳米级的位移测量精度。实验数据处理结果表明,对于3μm以下的位移,该算法位移测量相对误差约为1.20%。