角位移Fabry-Perot干涉测量

提出了一种基于Fabry-Perot板干涉的角位移测量新方法。此方法采用函数近似,只需将初始入射角确定在40°到50°之间,即可由角位移与干涉信号条纹数变化间的函数关系,高精度测量角位移。解决了采用F-P板干涉法测量角位移需精确确定入射光初始角的问题。使用计算机处理采集的干涉信号,对干涉条纹进行细分,实现干涉信号相位测量的高分辨力。理论模拟和实验结果得出本方法可以实现精度为10-5rad数量级的角位移测量。该方法的测量装置采用带尾纤的半导体激光作为光源,由自聚焦透镜准直,出射光束直径为0.5mm,使探测头为小光斑。该装置结构简单,能实现小型化。     

一种测量透明平行平板折射率的新方法

通过测量激光细光束经平行平板玻璃所产生的位移,可确定平行平板的的折射率。本文阐述了该方法的测量原理,给出了测量公式,并详细分析了测量误差。计算机模拟计算结果表明,当平板厚度为50mm时,如果入射角测量标准偏差为1”,平板厚度和光线位移量测量标准偏差均为0.001mm,则折射率测量的标准偏差可达6×10~(-5),此时入射角约55°。     

标准硅球直径精密测量系统的设计

基于多光束干涉的基本原理，导出了使用斐索干涉仪测量硅球直径多光束干涉光强分布的精确公式。针对目前的硅球直径测量系统忽略了多次反射对干涉信号造成的影响和系统中固有的条纹清晰度低的问题，研究了多次反射对干涉信号造成的误差，结果表明其最大光强误差可达到8％。通过对光学干涉系统结构设计和元件参数选择，最大限度地优化了干涉条纹的可见度，并设计出零背景光强标准硅球直径精密测量系统。数值模拟结果表明，该系统不仅极大地提高了干涉条纹对比度、消除了背景噪声，而且可通过改变透镜焦距调节干涉条纹的强度以达到CCD的最佳工作范围，从而提高了光强信号的测量准确度。     

干涉角度显微测量提高光子相关法空气声声压测量精度研究

在光子相关法测量自由场空气声声压中,光束夹角的准确测量影响着测量声压结果。提出了采用显微放大成像方法,利用CCD测量干涉区条纹间距,从而得到更为精确的光束夹角。首先,通过仿真分析高斯光束干涉条纹间距均匀性对光束夹角测量的影响,优化了声场测量的光路结构;然后,使用标准分辨率板对CCD显微成像的放大倍率进行标定并实现了干涉角度测量;最后,构建了光子相关法自由场空气声声压测量的实验系统。实验结果表明,相比于测量光的空间传播距离等传统三角方法获得的光束夹角,该方法得到的光束夹角提高了空气声声压测量的精度。     

用"牛眼"型麦克尔逊干涉仪测量入射激光

设计了一种新型的麦克尔逊干涉仪,因其干涉图状如牛眼,故称为“牛眼”型麦克尔逊干涉仪。它以两个球面反射镜代替了原有的平面反射镜,使得干涉加强,干涉图更清晰,同时省去了成像透镜,使系统体积紧凑,便于调节。应用这种仪器探测入射激光,对采集的干涉图进行条纹提取和细化后,可推算出入射激光的波长和入射角。实验对632.8nm和532nm的入射激光进行了测量,波长测量的相对误差分别为5.72%和3.91%。     

双光束激光散斑干涉技术在振动分析中的应用

本文分析了散斑干涉的原理,采用双光束激光散斑干涉法,设计了一种数字散斑干涉的振动测量系统给出了实验结果并对实验结果进行了讨论。     

用于检测激光棒的变倾角马赫-曾德尔干涉仪

为实现激光棒透射波前的测量,改善一般泰曼型或斐索型干涉仪测量小口径激光棒透射波前时的边缘衍射效应,研究了一种变倾角移相马赫-曾德尔干涉仪。通过调整移相反射镜的倾斜姿态,改变入射到马赫-曾德尔干涉光路的光束倾角,参考光束与测试光束的光程差随之变化,从而在相干光之间引入相移,实现了相移干涉测量。利用该干涉仪测量一根口径为Ф6 mm、长度为60 mm激光棒(Nd:YAG)的透射波前,测量结果的峰谷值(PV)为0.391λ,均方根值(RMS)为0.056λ;使用ZYGO激光干涉仪测量同一根激光棒,其透射波前的峰谷值(PV)为0.370λ,均方根值(RMS)为0.064λ。对比结果表明该干涉仪能实现光学元件透射波前的高精度检测,测试结果的一致性验证了该方案的可行性。该变倾角移相方法具有较高的移相精度和较大的移相范围,且该变倾角干涉系统中光束仅一次透过待测激光棒,可有效抑制多光束干涉现象,改善小口径激光棒的边缘衍射效应。     

高分辨超短光脉冲相关测量系统

本文提出利用脉冲干涉相关信号测量飞秒脉宽的新原理。对两个可能实现的途径进行了论证。一是提出等值宽度法,给出了等值宽度在五种光脉冲形状干涉相关曲线上包络的位置;二是建立了用微机处理干涉相关信息的数学模型,并给出处理的结果。研制了适合飞秒测量的低色散光学相关器。理论分析和实验结果均表明,本方法和相关测量系统可将超短光脉冲测量的时间分辨率提高一个量级以上。这对当今世界飞秒级(10~(-15)S)光脉冲的测量是有利的。     

柔性悬吊平台光电系统动力学分析

提出了一种基于地平式光电经纬仪并带有姿态稳定装置的柔性悬吊平台光电系统的结构,以实现精密指向.根据系统各部件之间的运动学关系,采用通路矩阵,约束力元矩阵等方法描述了系统的拓扑构型.采用拉格朗日方法建立了系统的多刚体动力学模型.仿真实验研究了平台绕垂线的转动以及垂线-地平面内的摆动对视轴指向精度的影响.仿真结果:若系统沿垂线方向的转动惯量在10~3kg·m~2量级,反捻机构残余力矩10~(-2)N·m的量级,方位轴的控制指向精度与光电传感器的分辨率精度相当,可以达到10~(-5)rad.如果缆绳的长度在10 m数量级,系统绕摆动轴的转动惯量将达到10~5～10~7kg·m~2量级.平台的摆动幅度在0.017 rad时,视轴的指向控制精度可以控制在10~(-4) rad量级.仿真结果表明:反捻机构开启,光电系统指向控制能力强时,可以不对平台进行姿态控制.另外,摆动将造成经纬仪两个轴系的耦合.     

圆柱形阳极层霍尔推力器的内磁极刻蚀研究

本文重点研究引起圆柱形阳极层霍尔推力器的内磁极刻蚀的入射离子能量和入射角分布,仿真中考虑入射离子能量和入射角分布大小的变化,进而得到相应的刻蚀速率。由仿真结果可知,放电电压400 V,阳极表面磁场强度175×10~(-4)T,中心最大刻蚀速率为3×10~(-9)m/s。磁场提高到205×10~(4)T时,中心附近刻蚀速率增加到原来的1.3倍左右,边沿处的刻蚀速率基本相同。在175×10~(-4)T的磁场强度时,把放电电压从400提高到600 V时,中心附近的刻蚀速率从3×10~(-9)提高到12.1×10~(-9)m/s,刻蚀速率增加了4倍多。此仿真结果与150 h的实验结果一致。此研究方法和结果有助于圆柱形阳极层霍尔推力器的设计和寿命评估工作。     

Direct measurement of reflectance from aluminum alloys during CO(2) laser welding

A simple method for measuring the reflected amount of a CO(2) laser beam from the surface of a welded aluminum alloy is described. This device can be used for cases in which an integrating sphere is impractical to use. A pyroelectric detector measures the amount of reflected laser radiation at prespecified locations that define a semisphere on top of the weld spot. The spatial distribution of a reflected laser beam is obtained. It is found that ~80% of the total incident power is reflected by the alloy until a welding keyhole is developed. However, once the keyhole is formed, the reflected amount is as low as 4-8%.     

用于量值传递的高精度单晶硅球质量测量研究

基于单晶硅球与现行常用砝码的物理特性差异,提出空气浮力修正改进计算方法。通过对硅球质量测量时空气密度瞬态变化分析,得出单次测量序列中存在6种不同空气密度变化序列,根据不同精度等级测量对各环境参数变化限值的要求,利用CIPM公式计算环境条件动态变化下的空气密度变化量,分析得出即使在恒温恒湿精密实验室下开展测量,相邻2次测量间由于环境参数变化带来的空气密度变化幅度可达1×10^-4kg/m3。并以铂铱合金砝码作为参考砝码开展对标称质量值为1kg的高精度单晶硅球进行质量测量时,通过实验验证测量环境空气密度在单个测量序列中产生浮动变化时,采用改进后的空气浮力修正算法可减少15.1～30.2μg的计算误差。     

A low‐cost and reliable optical inspection system for rapid surface roughness measurements of polycrystalline thin films

Excimer laser crystallization is a well‐known industrially used technique to produce high‐performance polycrystalline silicon thin films on the commercially available inexpensive glass substrates for the development of high‐performance low temperature polycrystalline silicon thin‐film transistors in active matrix flat panel displays. A rapid optical measurement system for rapid surface roughness measurement of polycrystalline silicon thin films was developed in this study. Two kinds of thicknesses of polycrystalline silicon thin films were used to study rapid surface roughness measurements. Six different incident angles were employed for measuring surface roughness of polycrystalline silicon thin films. The results reveal that the incident angle of 20° was found to be a good candidate for measuring surface roughness of polycrystalline silicon thin films. Surface roughness (y) of polycrystalline silicon thin films can be determined rapidly from the average value of reflected direct current voltage (x) measured by the optical system developed using the trend equation of y = –8.9854x + 91.496. The maximum measurement error rate of the optical measurement system developed was less than 5.72%. The savings in measurement time was up to 83%.     

基于液体静力称量法的纯水密度测量

分析了液体静力称量法测量密度的原理和体积测量中纯水密度的特性公式,推导了由己知密度的固体标准来测量液体密度的计算公式。利用固体密度基准量传装置,通过静力称量法为固体密度标准硅球赋值,其相对测量不确定度3×10^-6(k=2)。在20℃时利用高精度液体密度测量装置,通过静力称量法将固体标准(硅球)密度传递至纯水密度,与Tanaka模型比对,E_n值为0.059,比对结果等效。实验结果不仅验证了高精度液体密度测量装置,还验证了20℃纯水密度模型的理论值。     

Light coupling into an optical microcantilever by an embedded diffraction grating

By measuring the excitation efficiency of an optical waveguide on a diffraction grating one can accurately register the changes in the incidence angle of the exciting light beam. This phenomenon was applied to detect ultrasmall deflections of silicon dioxide cantilevers of submicrometer thickness that were fabricated with corrugation on top to act as diffraction grating couplers. The power of light coupled into the cantilevers was monitored with a conventional photodetector and modulated using mechanical vibration of the cantilever, thus changing the spatial orientation of the coupler with respect to the incident light beam. The technique can be considered as an alternative to the methods known for detection of cantilever deflection.     

空芯光纤硅太阳能电池制备及光捕获研究

本文提出一种空芯光纤结构硅基太阳能电池,并探讨其制备方法和光捕获性能.依据平面电池受光原理和空芯波导的限光机制提出了空芯光纤硅基太阳能电池结构,采用卷曲柔性平面非晶硅薄膜电池制备出圆筒形空芯光纤硅电池.通过对比研究入射光量一定的条件下平面电池和空芯光纤电池的光生电流和电压值,评估空芯光纤电池的光捕获效果.通过测量不同光入射角度和光照强度下空芯光纤电池的光生电流和电压值,揭示光入射角度和光照强度对空芯光纤电池光捕获性能的影响关系.研究表明,空芯光纤硅基电池能将入射光线限制在波导结构内反复吸收和反射,从而在光捕获性能方面较平面电池有所提升(~19.8%).光线入射角度对空芯光纤电池的光捕获性能有较大影响,在30°~50°入射时可以获得较大的光生电压和电流值.在0~100 000 lux的光照强度范围内,光生电压先随光照度增加而增大,而后逐渐趋于恒定值.通过卷曲柔性平面硅电池获得光捕获效率较高的空芯光纤硅电池是可行的,采用结构简单、光线单次入射吸收较低的单节薄膜电池制备空芯光纤电池有望获得更好的光捕获效率提升效果.     

Surface layer impurities on silicon spheres used in determinationof the Avogadro constant

The Avogadro constant is required to be determined with an uncertainty of less than 1×10^-8 in order to allow an atomic definition of the kilogram. A single-crystal silicon sphere 93.6 mm diameter is used for this determination. A thin surface layer (typically 2 nm to 5 nm thick on flats and 10 nm or more on spheres) of contaminants such as oxide, water and hydrocarbons on the sphere can significantly affect the measurements due to corrections for density changes and to phase change on reflection in the diameter measurement by optical interferometry. The stability of this surface layer as a function of time is also of importance because of ongoing measurements. The nature of this contamination has been investigated using optical ellipsometry and ion beam analysis. It is concluded that the composition and structure of the surface layer are affected by a number of parameters and that the most appropriate method of achieving the desired accuracy is to remove the surface layer by etching and to form a hard stable coating of controlled thickness and composition. This coating may be either silicon dioxide or silicon nitride     

基于压浮原理的单晶硅球密度比较测量方法研究

为了克服单晶硅球密度测量静力称重法精度受液体表面张力的影响,研究了压浮法进行单晶硅球密度精密比较测量方法和测量系统。在一定的温度下,调节压力,利用液体压缩系数控制液体密度使标准单晶硅球和被测单晶硅球稳定悬浮于工作液体中,通过温度、压力和悬浮高度的测量,计算出二者之间的密度差值。通过双层控温系统保证了液体温度长期波动在±0.25 mK内,利用标准单晶硅球在不同温度-压力悬浮条件线性关系计算出液体压缩系数。试验证明,压浮法测量装置实现了单晶硅球密度差值的精密测量,标准测量相对不确定度为2×10^-7。