偏振分光镜分光性能非理想对激光外差干涉非线性误差的影响

为了减小激光外差干涉纳米测量的非线性误差,必须明确偏振分光镜(PBS)分光性能非理想对非线性误差的影响机制.推导出非理想情况下偏振分光镜透射率和反射率的激光外差干涉非线性误差模型,建立了偏振分光镜分光性能非理想对非线性误差二次谐波的影响模型.仿真结果表明,偏振分光镜的透射率和反射率非理想对非线性误差的影响为一次谐波,且偏振分光镜分光性能越差,其对非线性误差的影响也越大.在偏振分光镜反射率为0.90的情况下,偏振分光镜透射率从1减小到0.90时,非线性误差由0.62 nm增大到1.24 nm.当存在偏振分光镜旋转角度误差时,偏振分光镜分光性能非理想引起的非线性误差不增加二次谐波分量,但增大了非线性误差一次谐波分量,严重影响非线性误差的大小.当偏振分光镜旋转角度误差为5°时,偏振分光镜透射率从1变为0.90,非线性误差从0.39 nm增大到1.41 nm.     

激光外差干涉检偏器旋转误差对非线性误差的影响

为了减小激光外差干涉纳米测量的非线性误差,必须明确检偏器旋转误差对非线性误差的影响机理与消除方法。通过分析激光外差干涉检偏器旋转误差对非线性误差的影响,推导出检偏器旋转误差对非线性误差一次谐波和二次谐波的影响模型。仿真结果表明,当存在激光束椭圆偏振时,检偏器旋转误差对非线性误差的影响很小;当存在偏振分光镜旋转误差时,检偏器旋转误差引起的非线性误差不增加二次谐波分量,但增大了非线性误差一次谐波分量,严重影响非线性误差的大小,当偏振分光镜旋转误差为3°时,检偏器旋转误差从0°增加到5°,非线性误差从0.14 nm增大到0.97 nm。     

空间引力波探测激光外差干涉信号模拟系统

由于激光外差干涉测量系统光机平台无法模拟多普勒频移,并且商用信号发生器无法实现多种类、高复杂度的星间外差干涉信号模拟,不能对空间引力波探测的相位计进行全面测试。通过分析外差干涉信号的特性,研究信号模拟系统的实现原理及方法,设计了空间引力波探测激光外差干涉信号模拟系统。首先,应用直接数字合成器（DDS）模拟外差干涉信号。其次,通过频率偏移方式模拟多普勒效应,应用混合同余算法生成散粒噪声并调制到外差干涉信号中。最后,基于FPGA搭建系统硬件平台,通过示波器及频谱分析仪分析生成信号的时频特性。实验结果表明,信号模拟系统在2~20 MHz的频率范围内杂波抑制度为?53 dBc,谐波（二次）抑制达到?47 dBc,生成信号的时频特性符合理论预期,满足空间引力波探测相位计的地面测试需求。     

非分光多波长调制吸收光谱测量方法

针对激光吸收光谱技术波长调制方法测量技术，提出了一种非分光多谱线二次谐波测量方法。通过调整谱线间相对位置，在无需光栅等分光装置条件下可实现对多谱线调制信号的解调制，进而在线测量气体温度。基于7185.60 cm^-1/7444.35 cm^-1 H₂O吸收谱线讨论了调制系数和谱线间相对位置对于测量的影响，结合调制信号频谱图分析了不同调制频率工况下的二次谐波提取方法。利用数值仿真方法建立了脉冲爆轰过程复杂流场变化模型，采用提出方法对脉冲爆轰过程燃气温度进行了测量，验证了该方法的正确性。研究结果对复杂环境条件下波长调制测量方法的应用具有重要意义。     

基于TDLAS一次谐波的二氧化碳温度测量

为了实现二氧化碳气体温度的实时、非接触测量,研究基于可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)的温度测量方法。根据单激光器的电流调谐特性和谱线对的选择标准,选取6241.402828 cm-1、6242.672190 cm-1处的两条对温度有不同依赖关系的二氧化碳谱线进行分析。针对二次谐波幅度法和一、二次谐波幅度比值法所存在的问题,提出应用一次谐波信号的TDLAS温度测量方案。首先测量两吸收谱线的一次谐波峰峰值和平均值,以峰峰值和平均值的比值作为单吸收线的输出,再以两吸收线输出值之比来实现气体温度的测量。实验结果表明:在200~1000K范围内,气体温度测量误差小于30 K。该温度测量方案可消除光强波动对温度测量产生的影响,且仅需检测一次谐波信号,系统结构简单,性能稳定,可以满足二氧化碳气体温度实时、非接触测量的需要。     

超短脉冲激光测量的标定方法

在研究总结现有超短激光脉冲测量方法的基础上，对皮秒激光脉冲的测量及飞秒激光脉冲自相关二次谐波(SHG)的测量方法进行了统一的校正。实验中，利用迈克尔逊干涉光路的相对光程差，产生已知时间间隔，作为时间基准对皮秒、飞秒激光脉冲的测量进行了标定。     

能量天平动圈位移的激光干涉测量研究

为精确测量普朗克常数h,实现能量天平法建立量子质量基准,提出了三轴双频激光外差干涉和折叠式Fabry-Perot(F-P)干涉绝对距离测量相结合的激光干涉测量方法,用于精密测量和定位能量天平装置中沿竖直方向在均匀磁场中运动的互感线圈位移。用三轴双频激光外差干涉精密测量运动线圈的质心位移和姿态,位移测量不确定度为10nm;进而将F-P腔干涉绝对距离测量与外差干涉测量结果进行比对和校准。仿真表明,采用本文方法,当位移测量范围约为30mm时,测量分辨率优于1nm。将该方法运用于真空中线圈位移测量,相对测量不确定度优于1.0×10-9。     

发射机谐波电平测量方法

提出了在发射机谐波电平测量中存在的问题和现象,分析了频谱分析仪的工作原理,以混频器的多项式非线性模型为基础,深入研究了频谱分析仪非线性响应对发射机谐波电平测量的影响,给出了影响程度的预测模型,根据谐波电平测量的工程需求,给出了便于工程应用的发射机谐波电平测量方法。     

外差椭偏测量技术及其混频误差分析

结合激光外差干涉术和反射式椭偏测量技术,设计了一种抗干扰能力强,快速、高精度 测量纳米厚度薄膜光学参数的方法。着重分析并计算了非线性混频误差对测量精度的影响,其中塞曼激光和波片产生的光束椭偏化是关键因素。定义了评价因子以比较非线性混频误差的相对大小,这对外差椭偏纳米薄膜测量系统的设计有指导意义。     

基于相干包络解调的窄线宽测量算法研究

激光线宽对光学相干探测系统的探测范围、精度和噪声特性都有重要影响。为精确测量半导体激光器的线宽值,提出了通过解调短延时自外差的干涉谱来实现高精度窄激光线宽测量的新方法。搭建短延时的自外差干涉测量系统,得到半导体激光器的干涉谱,通过设计算法对干涉谱的相干包络进行解调,最终获得了严格的洛伦兹线型谱和相应的谱线宽度,通过理论分析、仿真和实验验证了该方法的可行性。该方法可以忽略因1/f频率噪声产生高斯展宽带来的影响,与传统线宽测量方法相比,该方法的测量结果更加精确。     

外差激光干涉测长非线性误差的消除

外差激光干涉仪能够通过光波细分达到亚纳米分辨率,因而在科学研究和精密机械制造中得到了广泛应用。然而,由于光学系统中不可避免的缺陷,导致被测信号中出现一个附加的相位误差,使测到的相位移和被测长度不呈线性关系,成为现有激光干涉仪难以逾越的精度极限。为此,通过光学相位补偿理论的研究得出一种消除激光干涉仪非线性误差的方法,它可以应用在大部分科学实验和工业制造中的纳米长度测量中,而且不论是一阶或二阶误差都可以通过这个方法被消除。     

激光外差干涉中声光器件非互易特性研究

针对声光器件存在的非互易现象导致光强衰减影响衍射效率并降低激光外差干涉效率的问题,进行了一种基于声光驱动100MHz时声光器件非互易效应对激光外差干涉影响的研究。以光束衍射实验为主体,结合光阑、TeOa晶体对声光器件非互易值进行测量,利用光功率计获得测量过程中的器件非互易数值,在不同驱动频率下分析衍射效率分布情况;并利...     

基于AD8302的激光外差干涉信号解调技术

为了改善传统硬件相位测量中存在电路复杂、测量精度低、工作频带宽窄等诸多缺陷,利用AD8302的良好高频测相能力,设计了一种新的激光外差干涉信号处理系统,分析了其工作原理,并取得了静态、动态实验数据。结果表明,系统测量误差小于0.5,使外差干涉理论测量分辨率提高到0.088nm,更有利于微振动信号的测量。     

激光多普勒效应的实验验证

为了研究激光多普勒效应,建立了一个简单的利用激光外差干涉技术测量多普勒效应的实验验证系统。由实验可知,对于0.2mm/s的均匀速度,理论上的拍频值为316.0556Hz,实验测量值为312.0434Hz;对于0.1mm/s的均匀速度,理论上拍频值为158.0278Hz,实验测量值为151.6055Hz。结果表明,该验证系统的有效性,可为光学实验教学中实现激光多普勒效应提供有益的帮助。     

Use of adaptive RLS, LMS, and NLMS algorithms for nonlinearity modeling in a modified laser interferometer

Laser heterodyne interferometer is one kind of nano-metrology systems which has been widely used in industry for high-accuracy displacement measurements. The accuracy of the nano-metrology systems based on the laser heterodyne interferometers can be effectively limited by the periodic nonlinearity. In this paper, we present the nonlinearity modeling of the nano-metrology interferometric system using some adaptive filters. The adaptive algorithms consist of the least mean squares (LMS), normalized least mean squares (NLMS), and recursive least squares (RLS). It is shown that the RLS algorithm can obtain optimal modeling parameters of nonlinearity.     

线性调频激光外差技术测量磁致伸缩系数

融合激光外差和线性调频技术,基于磁致伸缩系数测量原理,将磁致伸缩系数的测量转换成微小长度变化量的精确测量,并提出一种线性调频多光束激光外差复合检测磁致伸缩系数的新方法,即通过线性调频技术将待测微小长度变化量信息加载到多光束激光外差信号的频率差中,经外差信号解调后可以同时得到多个微小长度变化量值,对这些数值加权平均,可以精确获得微小长度变化量数值,最终进一步提高磁致伸缩系数测量精度。利用该方法,仿真研究了不同电流条件下,待测样品的磁致伸缩系数,结果表明:相对测量误差小于0.09%,与传统测量方法相比,测量精度提高了一个数量级以上。     

A new fast inchworm type actuator with the robust I/Q heterodyne interferometer feedback

The precision stage is an essential device for micromachine assembly systems, and semiconductor equipments. A new fast piezoelectric inchworm type actuator is proposed to implement an actuator-integrated long stroke linear servo stage. An in-and-quadrature phase (I/Q) heterodyne interferometer is devised as a feedback sensor in the servo system, and a synchronized counting method is proposed to measure the position of the stage accurately. Proposed measurement system can measure the precise position of fast moving object with robustness to the vibration of inchworm actuator.     

激光合成波长纳米测量干涉仪的非线性误差分析

描述了激光合成波长纳米测量干涉仪的测量原理,分析了非线性误差对该干涉仪的影响,得出了由偏振光非正交、椭偏化和光学元件偏振非正交及椭偏化等对该干涉仪造成的非线性误差为偏振态误差的二阶或高阶小量。进行了激光合成波长纳米测量干涉仪和激光外差干涉仪的对比实验,结果表明激光合成波长纳米测量干涉仪的最大误差为2.1nm,优于激光外差干涉仪的最大误差7.5nm,验证了激光合成波长纳米测量干涉仪的优越性。