激光光束入射角度变化对角锥棱镜测量精度的影响

为了掌握光束入射角变化对激光跟踪仪中角锥棱镜测量精度的影响规律,详细分析了角锥棱镜的工作原理和反射特性,计算了角锥棱镜在不同入射角下的实际有效反射面积,并建立了角锥棱镜有效反射面积随光束入射角变化的理论公式,进而得到角锥棱镜测量精度随光束入射角变化的规律.实验结果表明:角锥棱镜测量精度随入射角增大而减小,在最大允许入射角处发生突变.在最大允许入射角为±35.26°时,其测量误差达到0.050 mm;而在±20°内时,其测量精度优于0.010 mm;入射角在±15°内其测量精度最高,稳定性最好.所得结论证明了当角锥棱镜入射角在±20°内工作时能满足了激光跟踪仪的测量精度要求,这对角锥棱镜设计和实际测量工作具有指导意义.     

基于隐藏特征测量的激光跟踪仪探头及其测量误差分析

介绍了一种测量隐藏特征和表面特征的激光跟踪仪探头(FaroRetroProbe)的结构和工作原理,详细分析了该探头的空心角锥棱镜误差、空心角锥棱镜和探针的对称性误差及平面反射镜的面形误差等主要误差及其对激光跟踪仪测量结果的影响,并针对性地指出提高激光跟踪仪测量精度的措施。     

基于像差修正的同轴度测量方法

为了实现在同轴度测量中平行偏差(平偏)和倾斜偏差(角偏)两个量的同时测量,建立了基于激光准直性的光斑接收系统。该系统由接收物镜、分光棱镜和CCD构成。以物镜光轴、准直光束几何中心线和两个CCD接收面构成的三角关系进行两个偏差量的计算;并通过对系统像差的分析,提出了显著降低物镜像差对测量结果影响的算法。理论和实验数据表明,对于平偏测量范围为±10 mm、角偏测量范围为±2°、接收物镜焦距为50 mm、CCD尺寸为1.6 cm的系统,平偏测量精度可达0.02 mm,角偏测量精度可达9.5″。因此,该系统可以满足较大范围内的旋转机械同轴度测量的需要。     

激光跟踪测量系统角度自动校正装置设计

激光跟踪测量系统是目前最新型的便携式空间大尺寸坐标测量系统,利用激光干涉测长、精密测角及目标跟踪技术,可对任意点的空间位置进行实时跟踪测量。然而,目标反射器接收角度的大小严重影响了激光跟踪测量系统角度测量精度,为解决激光跟踪测量系统在动态测量中因角锥棱镜逆反射器接收角度范围限制而导致无法测量问题,研制开发了一种能使激光跟踪测量系统在动态条件下连续测量的角度自动校正装置。它主要由精密圆形导轨和角度方位自动调节机构组成,能使角锥棱镜在动态测量过程中始终指向激光跟踪测量系统,从而实现在动态条件下的连续工作。最后利用研制角度自动校正装置对激光跟踪测量系统进行了角度误差补偿实验,结果表明该装置使激光跟踪测量系统的水平角测量误差由34.69µm减小到9.71µm,垂直角测量误差由35.43µm减小到10.03µm,从而有效地提高了激光跟踪测量系统的角度测量精度。     

高反射平面反射率的测量

本文研究一种籍助于激光光束对平面高反射介质镜面涂层的反射率进行测量的补偿方法。利用两个耦合的谐振腔,可以测定直径为激光光束那么大小区域的反射率,其精度约为±3×10~(-5)。这种方法也可用来测定单一镜面反射率的相对分布。这时,精度等于该方法的灵敏度±2×10~(-5)。     

基于空间距离约束的姿态角现场精度评定方法

针对大型精密工程现场姿态测量精度评定的需求,提出了一种利用长度计量基准溯源姿态测量结果的姿态角现场精度 评定方法。 首先,介绍了激光跟踪姿态测量系统的基本组成及测量原理;其次,基于六自由度并联机构的正向运动学研究,建立 了空间距离与靶标姿态之间的数学模型,并通过蒙特卡洛法仿真分析距离约束测量精度、控制场布局以及系统工作距离等因素 对评定模型精度的影响;最后,搭建实验平台,利用精密转台的相对转动量作为角度基准,对本文研究方法的可行性进行了验 证。 结果表明:当距离约束测量精度为 0. 038 mm,控制场大小为 1 400 mm×1 400 mm 时,在-20° ~ 20°的姿态角变化范围内,评 定模型方位角精度为 0. 055°,俯仰角精度为 0. 058°。 本文研究方法避免了基于角度基准评定方法中较为严格的坐标系配准要 求,能综合反映测量系统现场使用状态,可为六自由度激光跟踪测量系统中姿态角现场精度评定方法提供参考。     

基于视觉正交迭代法改进的激光跟踪姿态测量

针对航空航天、汽车船舶以及机器人应用等领域对姿态精准测量的需求,研究了一种基于视觉加权加速正交迭代 (WAOI)的激光跟踪姿态角测量方法。 首先阐述了测量系统组成、建立了数学测量模型,并分析了系统的主要误差源;其次 在正交迭代(OI)的基础上,通过物方重投影误差设置参考点权重系数,引入常系数矩阵整合迭代过程中的冗余计算,提出了 一种 WAOI 算法,并通过实验验证了算法的性能;最后搭建实验平台,利用精密二维转台对基于 WAOI 的姿态角测量进行精 度评定。 结果表明,在-20° ~ 20°角度范围内,3 ~ 15 m 测量范围内,方位角精度可达 0. 11°,俯仰角精度可达 0. 26°。 相较比 例正交投影迭代变化(POSIT) ,方位角和俯仰角测角精度均提升 75% 以上。 本文提出的 WAOI 算法有效提升了激光跟踪姿 态测量系统的精度。     

用面阵探测器测量激光光束质量

本文利用面阵CCD探测器,测量各种情况下的激光光束特性。这种方法可以很容易地测得激光光束能量的空间分布,并由此计算出光束中心、半径和椭圆度等参量。文中描述了这一实验装置和对He-Ne激光光束的各种测量的结果,并对测量精度和影响因素进行了分析和讨论,系统对激光辐射功率的测量精度可达±2%。     

宽波长宽角度偏振分光镜设计

简要介绍Ｋ９ 玻璃棱镜上宽波长宽角度偏振镜的设计,设计波长为４２０～６８０ｎｍ ,空气中的入射角变化范围为±４．５°     

同轴单棱镜整形研究

半导体激光器广泛地应用在国防、商业、工业等领域,对其光学准直是一项重要的工作。介绍一种新的半导体激光整形系统——同轴单棱镜整形系统,详细地叙述了单棱镜的设计原理。与其它整形系统比较,该棱镜具有设计、加工和装调简单等优点,最大的优点还能保证光束同轴。最后以一个θ⊥×θ∥=25°×11°半导体激光器为例子,设计一个2.5×单棱镜同轴整形系统,通过软件模拟计算与实际计算结果比较,结果基本相符,证明了设计方法的正确性。     

大口径光学元件斜入射反射波前误差测量和计算

针对测量高功率激光驱动装置中大口径矩形反射光学元件的波前误差时测量角度和使用角度不完全相同引入的测量误差,提出了将测量角度下的反射波前转换到使用角度的反射波前的换算及恢复方法。首先分析了将斜入射测量角度下的波前转换到使用角度下波前的余弦换算方法,得到了实际测量角度与实际使用角度下的波前误差计算关系;然后计算并分析了双三次插值算法本身引起的中频PSD1(功率谱密度)误差,指出在满足有效口径测量的情况下,选择的入射角度应该与实际使用的角度尽可能的相接近。最后,基于410mm×410mm的熔石英反射镜开展了误差分析和实验验证。利用该方法将0°反射波前换算到45°反射波前,并将得到的测试结果与45°直接测量得到的测试结果进行了比较。结果显示上述结果的PV值相差0.01λ,RMS值相差0.003λ,PSD1值相差0.08nm;表明该换算方法不仅能够准确计算出使用角度下反射波前的低频误差,而且能获得相对准确的中频段PSD1误差。     

大尺寸旋光晶体内反射偏振特性的研究

用标准水溶液法生长出的长30.62mm、宽29.20mm、高28.34mm的透明的大尺寸立方体氯酸钠晶体。以一束线偏振的He-Ne激光入射到氯酸钠晶体,使在其内部以布儒斯特角33.42°内反射并再经过全反射出射。首次从理论和实验的两方面对该大尺寸氯酸钠晶体内反射时的偏振特性做了研究,发现在消光位置,氯酸钠晶体入射光的偏振取向较之普通玻璃的入射光偏振取向旋过了87.43°。     

光学内反射型精密角度传感器

本文基于光从光密介质传到光疏介质时,在临界角附近随光的入射角的微小变化,光的反射率发生急剧变化的原理,设计了利用临界角棱镜组成的多次反射型临界角角度传感器。通过光学式差动检测方法,减小了反射光所固有的随入射角的变化,其反射率变化曲线的非线性,进而通过检测光的反射率,可高精度地检测角度变化量。该传感器体积小结构简单,可通过调整初始入射角、反射次数及反射光的性质控制其精度和测量范围,可设计适于多种精度要求的微小角度的精密测量仪器。     

光学表面X射线异常散射现象

研究了用掠入射散射法测量光学表面散射分布实验中存在的异常散射现象。首先,介绍了实验装置,并用原子力显微镜(AFM)测量了样品的表面粗糙度, 给出了工作波长为0.154 nm时不同样品在不同掠入射角下的表面散射分布。然后,分析了异常散射角与临界角的关系。最后,对影响散射强度的因素进行了分析。实验结果表明：当掠入射角大于临界角时能观测到光学表面的异常散射现象。在波长一定的情况下,异常散射角与样品材料有关,与掠入射角和表面粗糙度无关;异常散射角略小于临界角,误差变化为-8.6%~-0.9%。另外,镜像反射强度随着入射角和表面粗糙度的增大而迅速减弱,但异常散射强度与镜像反射强度的比值（峰值比）反而随着掠入射角或表面粗糙度的增大而增大,其比值在0.012~2.667变化。结果证明样品的材料和表面形貌是影响异常散射分布的两个重要因素。     

亚波长周期结构与多层增透膜反射特性的比较

为解决光学系统中普遍存在的菲涅耳反射问题,利用严格耦合波法设计、分析了一种三维轮廓亚波长结构,然后把计算结果同多层反射膜的增透特性进行了比较,结果表明该结构在很宽的波段上尤其是远红外波段上的抗反射特性要远远好于多层膜,其反射率基本上能控制在0.2%以内;并且这种结构反射率的变化随入射光波入射角的偏离在40°以内能保持在1%以下,而多层膜只能在30°以内勉强做到这一点。     

多共振峰圆形光栅滤波器

提出了一种导模共振圆形光栅滤波器,以实现它在可见光范围内的多波段滤波。理论分析了圆形光栅滤波器在同一入射波偏振条件下形成多个共振峰的原因。通过微纳加工技术在硅基二氧化铪材料上实现了光栅层约为70nm的圆形光栅薄膜结构。利用一维线性光栅对圆形光栅的反射谱进行了模拟,通过角分辨微纳反射谱测试系统获得了该光栅滤波器在不同入射波偏振条件以及不同入射角时的反射谱。实验表明,在特定的光栅周期以及占空比条件下(如光栅周期350nm,占空比0.5),当线性偏振光正入射时,该圆形光栅滤波器形成了两个共振峰(505nm处和575nm处),与模拟结果基本符合。另外,光栅占空比相同时,随着光栅周期的增加,共振峰会向较长的波段偏移。实验显示:通过设计不同结构的亚波长圆形光栅,可以实现可见光范围内多个特定波段的滤波作用。     

石墨烯超表面的极化不敏感电磁诱导反射

利用时域有限差分(Finite difference time domain,FDTD)方法研究了石墨烯超材料的电磁诱导反射(Electromagnetically induced reflection,EIR)效应.首先,设计了一种在太赫兹波段上由二氧化硅(SiO2)、金和石墨烯条组成的三层超材料结构.然后,讨论了石墨烯条的宽度、长度和电磁波的入射角等参数不同的情况下该结构的电磁诱导反射效应,并通过改变结构的中间层介质材料得出SiO2是一种优良的介电材料.最终的模拟结果表明,该石墨烯超材料对极化入射的电磁波不敏感.该极化不敏感和大入射角的电磁诱导反射结构在光通信滤波器和太赫兹器件中有潜在的应用.     

聚氨酯夹芯板发泡缺陷电磁超声导波快速检测

聚氨酯夹芯板在生产中因发泡不均容易在聚氨酯泡沫层形成空洞型缺陷,直接影响其保温效果,为此提出了一种从金属板外侧实施的电磁超声SH导波检测的快速检测方法。通过理论分析、解析推导、仿真计算和试验验证,建立了聚氨酯夹芯板中的SH导波透反射比系数与激励参数之间的关系,结果表明,当磁铁间距为4.5 mm时,控制SH0导波入射角度为75°,能够得到最佳的检测效果。同时也进一步验证了SH0导波接收信号幅值与缺陷面积、缺陷深度均基本上呈线性关系。在此基础上,提出了一种可应用于实际检测的缺陷当量大小评价方法。通过评价公式进行修正,可消除因收、发探头之间距离变化引起的缺陷信号评价波动问题,这对于后期实现缺陷定位具有较好的指导作用。     

光纤表面等离子体共振传感器理论仿真研究

为了考查光纤表面等离子体共振传感器的传感特性,基于单层膜表面Snell反射公式,利用MatLab软件仿真研究光纤表面等离子体共振(SPR)传感器的反射光谱特性,系统考查金膜厚度、待测介质介电常数以及入射到纤芯—金膜界面的入射角对反射光谱特性的影响.仿真结果表明:光纤SPR的共振波长随金膜厚度的增大而增大,随外界介质介电...     

基于硅透镜与光子晶体的逆古斯汉欣位移监测系统及其温度特性研究

基于硅介质柱型光子晶体,采用时域有限差分方法(FDTD),探究高斯光束在光子晶体界面的逆古斯汉欣(GH)位移.通过在光子晶体下表面添加硅透镜,研究高斯光束的入射角度、硅透镜的曲率半径以及温度对光子晶体逆GH位移的影响.研究结果表明,发生最大逆GH位移的角度大于几何理想全反射角.添加焦点位于光子晶体表面中心的硅透镜可以使...