弹光调制测椭偏参量的数字锁相数据处理

为了实现椭偏参量ψ和Δ的高速、高灵敏测量,建立了一种测量成本低、重复性好和便于工业化集成的椭偏测量方案。本文对弹光调制型椭偏参量测量系统进行了原理分析,针对弹光调制器的工作模式及调制光信号特点,设计了基于现场可编程门阵列的数字锁相数据处理方案。现场可编程门阵列提供弹光调制器工作的信号源,并控制AD采样;同时产生正弦和余弦参考序列,并完成直流项、一倍频项和二倍频项的同相分量和正交分量的提取,进而求解出椭偏参量。利用搭建的试验系统对SiO2薄膜厚度为3.753nm的硅片样品进行了实验分析。实验结果表明,采样时间为20ms时,椭偏参量ψ和Δ的平均值分别为9.622°和168.692°,标准偏差分别为0.005°和0.008°;采样时间设置为200ms时,椭偏参量测量平均值与20ms的非常接近,标准偏差减小,并且都在0.001°量级,揭示了本系统具有较高的灵敏度和较好的重复性。     

基于正弦相位调制的光纤干涉位移测量系统研究

针对全光纤干涉仪工作距离短、测量范围小等问题,提出了一种基于正弦相位调制的全光纤干涉系统,在参考臂通过电光调制器引入的调制参考光,与探头接收到的目标反射光产生干涉。根据锁相放大原理从干涉信号中提取出正交分量后,首先建立由正交分量构成的观测模型,通过卡尔曼滤波对正交分量的幅值和偏置进行迭代估计和修正,降低由相位延迟、调制深度漂移、寄生干扰等导致的幅值漂移和附加偏置;然后利用反正切法对反射光与参考光之间的相位差进行解调。开展了模拟干涉信号的相位解算仿真模拟和位移测量实验。仿真和实验验证了该算法解算相位的有效性。结果表明,该位移测量系统的工作距离可达到20 cm,测量精度为10 nm。     

磁光调制锁相椭偏仪与多层磁光薄膜测试系统

磁光调制锁相椭偏仪采用交流法拉第磁光调制及相敏检波来检测消光点 ,具有抗干扰能力强 ,角分辨能力高等优点。本文采用了自制的关键部件 :“高线性法拉第磁光调制器”与反馈电路来寻找消光点 ,实现了小角度偏转数字显示 ,具有速度快 ,准确性高的特点 ,而且使国产椭偏仪的角分辨由 0 .1°提高至 0 .0 1°,达到国外消光椭偏仪的水平。而且该椭偏仪的研制成功对国产磁光盘质量提高具有极大的促进作用。     

自动旋转检偏器椭偏谱仪的研制及其应用

一、引言自动旋转检偏器椭偏谱仪是一种研究薄膜及表面的光学仪器,用于测量不同波长下,样品的折射率n、消光系数k、介电常数e_1和e_2、膜厚d 等光学参数,在物理、化学、电子、生物医学等研究中是一种十分有效的工具。1962年Budde 设计了旋转检偏器椭偏仪以后,这项技术在椭偏光测量领域获得了很大发展。1975年,Aspaes 等人报道了他们的、计算机化的高精度扫描椭偏仪,该仪器工作波长范围是2250～7200(?),ψ的精密度±0.0005°,△的精密度±0.001°。1982年,江任荣等也报道了他们建立的手动式椭圆偏振光谱仪。本文介绍我们研制的、自动旋转检偏器椭偏谱仪(简称SRAE )的结构、测量原理及应用。二、结构和工作原理SRAE 的结构如图1所示。有两种工作方式。处在工作方式Ⅰ时,检偏器和光电倍增管(简称PMT)与起偏器在同一直线上,适应于系统调试或透射式椭偏测量。SRAE 一般工作在方式Ⅱ状态,布局和定位如图1。测量时,起偏器的起偏角P 为30°,光对样品的入射角φ为70°。     

非偏振分光镜对干涉式椭偏仪测量精度的影响

提出了一种新型激光外差干涉椭偏测量术用于实现纳米级精度的薄膜厚度测量。采用偏振光p和s分量透射比、反射比、反射相移、透射相移共同表征非偏振分光镜(NPBS)的退偏效应,建立了相应的误差模型,从而研究了多层介质膜NPBS的退偏效应和方位角对椭偏参数误差的影响。研究结果表明,由环境温度、入射角和光束偏振态的变化引起的NPBS退偏参数的漂移对椭偏测量精度影响很大,且无法通过标定来降低。为实现纳米级测量精度,NPBS的对准误差需要控制在0.1°以内。相对而言,用于合光的NPBS方位角误差对测量精度影响较大,NPBS所导致的膜厚测量总误差约为1.8～2.5nm,说明NPBS是马赫曾德尔干涉式椭偏仪的一个不可忽视的误差源。     

波导式偏振调制测距系统

为消除体相位调制器工作过程中热效应对偏振调制测距精度的影响,提出了利用波导式相位调制器替代体相位调制器的全光纤波导式偏振调制测距方法.对波导式偏振调制测距系统进行原理分析,利用琼斯矩阵得出传输过程中测量光偏振态的变化规律,建立调制信号频率、偏振光强度与被测距离的函数关系.然后,进行了直波导相位调制器特性测试,验证其半波...     

各向异性材料光学常数全自动椭偏测仪

本文介绍了一套将光度式旋转检偏器椭偏(RAE)系统同改变环境媒质、改变样品方位角、改变入射角相结合的全部测试过程由计算机控制的椭偏测试系统VMAE。它是通过改变环境媒质、光入射角以及自动改变样品方位角等方法测量多组椭偏参数,得到足够的独立方程,并通过计算机采用三种优化Powell,单纯形,转轴法方法求解多峰值超越方程组以研究光轴垂直、平行于表面的各向异性体、膜材料光学性能。并研制了一套除适用上述方法外还可兼容多波长法、多厚度法等方法的功能全面的模块集成化软件。最后通过比较实验结果与理论值的方法对系统的可靠性进行了验证。     

光弹调制差频偏振测量及误差分析

针对现有光弹调制测量偏振方法无法用普通阵列探测器有效采集锁相频率,难以测量复色光的偏振特性等缺点,提出了一种三光弹调制器互差频调制的新型偏振测量方法.操作时,3个光弹调制器分别工作在频率w1,w2和w3上,三频率大小略有差异,从而可以对光进行差频调制并产生载有被测光偏振信息的低频调制分量(0,w1-w2,2w1-2w3);然后,通过锁相放大即可以一次测量获得斯托克斯矢量S中的S0,S1和S2.介绍了三光弹调制差频偏振测量的基本原理,通过相应的数值仿真和实验验证了其可行性,并对差频大小、相位延迟幅度等因素对测量结果的误差进行了初步分析.分析表明,该方法不仅保留了原光弹调制偏振测量方法测量精度高等优点,而且调制光电流频率下降了2～3个数量级(10～500 Hz),普通阵列探测器即可实现探测,在高精度偏振成像技术方面具有潜在的应用价值.     

各向异性材料自动椭偏测试仪误差分析

本文对各向异性材料光学常数自动椭偏测试系统，从系统综合的角度，分光源、样品、信号处理三个主要环节全面地研究了影响测量的因素和各种改进措施的作用，从理论和实验上证实了光源及样品本身是造成测量误差的主要原因，并给出了改进的办法。     

斯托克斯椭偏仪的非线性最小二乘拟合偏振定标

由于传统的斯托克斯椭偏仪定标方法中入射光源的偏振效应、定标单元中光学元件的制造与装调误差都会降低仪器矩阵的定标精度,从而影响偏振态的测量精度,本文提出了基于非线性最小二乘拟合算法的仪器矩阵偏振定标方法.该方法将描述定标单元的参量和仪器矩阵的所有矩阵元一起作为未知参数,根据偏振光学传输理论建立探测光强与未知参数的函数关系式;然后,基于非线性最小二乘拟合方法拟合实际探测光强随定标单元方位角的变化曲线,进而得到斯托克斯椭偏仪的仪器矩阵.实验中使用该方法和传统方法在500～700 nm波段分别定标了KD*P型斯托克斯椭偏仪的仪器矩阵.结果显示,新方法在500～600 nm波段获得的斯托克斯参数的总均方根(RMS)偏差为1.6％,较传统定标方法提高约0.5％;波长大于600 nm时,由于系统信噪比降低使得新方法的测量精度降为2.4％,但仍然远高于传统方法的测量精度.结果表明,提出的方法简单易行,适用于各种斯托克斯椭偏仪的仪器矩阵定标.     

一种波长调制干涉仪光强实时反馈控制系统

提出了一种实时反馈控制系统,保证波长调制干涉仪的激光光强在波长调谐过程中的稳定性,以减小波长调制干涉仪因激光光强的波动产生的相位误差。该控制系统由光电探测器、数据采集卡、光电调幅器和控制软件等组成。实验结果表明,该系统的响应速度超过了干涉仪获取干涉图的速度,不仅能够稳定输出理想的光强值,而且还提高了干涉仪的测量精度。     

一种基于光时域展宽技术的高速ADC研究

提出了一种基于光学时域展宽技术的高速ADC的设计方案,利用光学的方法将快变信号在时域上进行有效的时间拉伸,从而降低了系统对后端电子ADC的技术要求,实现了对快变信号的超快测量.利用推挽式电光调制器的对称性来消除信号电光调制时的二次失真,再利用包络去除方法来减小信号幅值的失真度,从而实现被测信号的准确恢复和重建.通过理论...     

基于弹光调制的偏振态测量方法

偏振编码是利用光信号的偏振态承载信息进行编码,旨在解决高速光纤通信中非线性效应和偏振模色散等问题。本文提出了基于弹光调制器的偏振态测量方法,该方法不仅保留了原有弹光调制器偏振测量的优点,并且克服了现有方法无法用阵列探测器有效采集信息及调制频率高等缺点,同时给出了Matlab模拟仿真及实验验证方案。理论分析、模拟仿真及实验验证了该方法的可行性。测量结果的误差分析表明,该方法能满足测量要求,这为偏振编码在高速光纤通信中的应用创造了条件。     

应用分数低阶循环相关估计单电磁矢量传感器的波达方向和极化参数

提出了一种在α和高斯混合噪声以及循环平稳干扰并存背景下基于分数低阶循环相关(FLOCC)联合估计单电磁矢量传感器波达方向(DOA)和极化参数的多重信号分类(MUSIC)方法。该方法利用信号的循环平稳特性,采用分数低阶循环相关函数抑制α和高斯混合噪声以及循环平稳干扰信号;然后利用MUSIC方法对单电磁矢量传感器的DOA和极化参数进行联合估计,并利用DOA参数与极化参数的相互独立性,将传统MUSIC方法的四维搜索简化为两次二维搜索,从而有效地减少该算法的计算量。对所提算法与基于分数低阶矩的MUSIC算法进行了实验对比。结果显示:提出的方法可充分地抑制与待测信号循环频率相异的任意循环平稳干扰信号;在α和高斯混合信噪比为0dB,信干比为3dB时,估计得到的DOA和极化参数的均方根误差分别为0.3°和0.7°,明显优于基于分数低阶矩的MUSIC方法。     

Measurement and control of residual amplitude modulation in optical phase modulation

Residual amplitude modulation is one of the major sources of instability in ultra-sensitive optical detections based on frequency modulation. Using a MgO·LiNbO(3) electro-optic crystal, we systematically measure the temperature and polarization dependence of residual amplitude modulation and our experimental results are in good agreement with a previous theoretical analysis. After optical phase modulation, two independent arms including optical detection and frequency demodulation are employed to closely examine the instability of the residual amplitude modulation. Residual amplitude modulation below 25 ppm is obtained with an active cancellation scheme in which the crystal temperature is varied so as to zero the baseline drifts with different origins. Possible improvements for better suppression and stability are discussed.     

平纹编织碳纤维/Kevlar纤维增强混杂复合材料微-宏观切削去除机理研究

由于碳纤维和Kevlar纤维力学性能相差迥异,在C-K纤维混杂增强复合材料(Carbon-Kevlar fiber hybrid composite,CKFH)加工中易产生加工缺陷,比单种纤维复合材料的加工缺陷更难控制。由此,从微观和宏观角度,构建CKFH三维有限元切削模型,分析CKFH的切削去除机理及平纹编织结构对切削过程的影响机制。结果表明,在不同纤维取向下,Kevlar纤维均易产生抽丝拉毛现象,尤其当纤维取向θ=0°/180°时最为明显;纤维取向θ=0°/180°时,切屑多为卷曲片状切屑,纤维取向θ=45°、90°、135°时,两种纤维的断裂相互影响,切削表面、切屑形态均与切削方向存在密切关系,当纤维取向θ=45°时,多为细小片状切屑,纤维取向θ=90°时,切屑多为絮状块状切屑,纤维取向θ=135°时,切屑多为成块状切屑;从碳纤维切向Kevlar纤维时,Kevlar纤维出现松散、抽丝拉毛现象明显,从Kevlar纤维切向碳纤维时,在Kevlar纤维的韧性弯曲区碳纤维发生弯曲脆断、碎裂,易出现凹坑;平纹编织结构对切削应力的传递具有明显的阻断作用,有限元仿真结果与试验观测结果基本吻合。     

叶顶间隙对低比转速混流泵性能及内部流场影响的数值研究

为了解叶顶间隙对低比转速混流泵性能及内部流场的影响,选取无叶顶间隙和叶顶间隙δ分别为0.25 mm、0.75 mm和1 mm共四种方案,基于ANSYS-CFX对一比转速为149的混流泵进行了全流道数值模拟。计算域采用ICEM-CFD和TurboGrid进行结构化网格划分。利用Tecplot对计算结果进行处理,得到叶顶间隙对外特性参数、轮缘泄漏、流道中心S2流面流场等的影响。结果显示,叶顶间隙对大流量工况（1.25Q_d和1.5Q_d）下性能参数的影响大于小流量工况（0.5Q_d和0.75Q_d）,且效率减小量与叶顶间隙变化量的比值（Δη/Δδ）和相对流量m之间近似呈二次抛物线关系;当间隙为0.75 mm时,随着流量的增加,在叶轮流道进口附近形成的旋涡逐渐向出口方向移动,且旋涡强度及其对主流的影响范围均增大;当间隙进一步增大到1 mm时,泄漏流和主流之间发生了更为严重的卷吸效应。