自混合干涉效应及其在位移测量应用中的进展

对自混合干涉系统的位移测量研究进展进行了综述.首先对自混合干涉的发展概况进行了介绍,然后着重介绍了基于自混合干涉系统的位移测量系统.文中将基于自混合干涉的位移测量技术分为条纹计数法,模跳测量法,合成波长测量法,拍频测量法,光回馈水平差异测量法,分区细分法.条纹计数法最易于实现,系统最简单,但分辨率低,一般为半个光波长.模跳测量法利用跳模原理进行测量,分为开环和闭环模跳测量法两类,所对应的分辨率分别为40和50 nm.合成波长测量法则利用双激光器同时回馈时两激光器光强条纹相位差异实现位移测量,测量速度和范围相对于传统单激光器相位测量法大大提高.拍频测量法利用光回馈引起激光器频率变化的现象对位移进行测量,系统的分辨率为5 nm.光回馈水平差异测量法巧妙运用透镜实现系统不同水平的光回馈,实现系统的分辨率为20 nm.分区细分法则利用双频激光器中两垂直偏振光光强曲线交叉变化的特点,对条纹交叉结果进行分区,能实现分辨率为八分之一光波长.文中同时对各种测量方法的原理进行了介绍,对各自系统的优缺点也进行了评述.     

光栅莫尔条纹的辨向和细分电路研究

光栅式测量系统产生的莫尔条纹，对位移量的测量具有较高的分辨率，但不便于相对位移的测量．通过对莫尔条纹光电测量的研究，实现了辨向及细分功能．将电子技术与光栅测量系统结合，对提高测量性能，降低成本，实现测量自动化，具有一定的实用性．     

高分辨率双频激光回馈的位移测量方法

在分析双频激光回馈测量原理的基础上,提出了一种基于双频激光回馈原理的高精度位移测量方法,研究了双频激光回馈的基本现象并给出了理论依据,进一步在回馈光学系统基础上,对两路正交的光回馈条纹,利用电路进行细分处理:即5细分和4倍频电路相结合,细分产生的计数脉冲最后送入单片机进行计算及显示.采用可编程逻辑器件FPGA和单片机设计信号处理电路,利用FPGA实现4倍频细分,利用电阻链细分实现5细分.全部电路通过逻辑、时序仿真,验证了本方法的可行性.目前此系统可满足高精度位移测量的要求.     

正交线偏振激光器原理与应用(Ⅲ)--精密测量应用原理及技术基础研究

综述了利用正交线偏振激光器内特性进行精密测量的研究成果,包括:①纳米激光器测尺(基于频率分裂的激光器两偏振光竞争位移传感激光器)测量原理,②基于频率分裂激光器两偏振光回馈的位移测量原理,③直接利用波片形成频率分裂的波片位相延迟测量原理,④基于频率分裂对腔内双折射强弱敏感性的位移测量原理,角度测量原理,振动测量原理,⑤压强测量原理,⑥磁场测量原理等. 所涉及现象包括:激光纵模间隔内新频率的产生,两频率之差的改变、光束的偏振特性的改变,模的竞争强度的改变等. 这些新应用的原理、结构简单,可溯源到光的波长. 如,激光器自身就是传感器的纳米激光器测尺已在应用中,测量范围12mm、分辨率79nm、线性度小于5×10-5. 波片位相延迟测量系统重复性达到0.3′.     

基于白光干涉的MEMS三维表面形貌测量

利用白光干涉垂直扫描原理,设计了测量微机电系统(MEMS)表面形貌特征的垂直扫描白光干涉系统.该系统由垂直扫描位移工作台驱动被测件,通过检测被测件表面的干涉条纹变化得到表面形貌.垂直扫描位移工作台利用压电陶瓷驱动柔性铰链结构进行纳米驱动,光栅传感器监控整个垂直扫描过程,对压电陶瓷的非线性误差进行实时补偿.垂直扫描位移工作台的性能分析表明:分辨率达到1 nm,定位精度小于10 nm.同时采用图像分析技术对光学仪器测量台阶出现的噪声进行了消噪处理,试验结果表明垂直扫描白光干涉系统能够实现MEMS三维表面形貌的高精度测量.     

2．4GHz,1532／1544nm全光波长变换

以主动锁模模掺铒光纤激光器输出的光作为控制光,增益开关半导体激光器在直流偏下输出的连续光作为探测交,利用非线性光学环形镜的开关效应和光纤内交叉相位调制效应,实现了2．4GHz,1532nm到1544nm全光波长变换,实验结果与数值模拟相符。     

基于光电混合细分的激光自混合干涉测量技术

为了提高激光自混合干涉仪在大量程运动距离测量中实时测量的分辨率,采用光学细分与电子细分相结合的方法,大幅减轻了在条纹计数法中对信号进行大量电子细分的软硬件压力,节省了硬件成本,降低了测量系统的复杂程度,满足了大量程运动距离实时测量的精度要求。使用PI公司高分辨率商用导轨标定了运动距离测量的实验结果,分析误差来源,得出了实际测量精度。结果表明:在百毫米大尺度运动距离的测量中精度能够达到μm级。     

光反馈自混合干涉系统模型中的参数研究

在外腔简谐振动条件下,研究半导体激光器的光反馈自混合干涉系统模型中的测量参数.经计算仿真分析,得到了外腔运动参数及激光器本身参数的变化对光反馈自混合信号波形的影响规律.结论表明,利用光反馈自混合干涉效应可以进行多参数传感测量.     

白光干涉零光程差位置四步测量法及其精度分析

为研究现代干涉技术的应用，提出一种测量绝对长度和位移大小的白光干涉中零光程差位置测量方法。在测量中以双光束干涉条纹间距的四分之一大小为采样间隔，以四步测量法作为数据处理方法确定干涉条纹的局部调制度，采用重心法确定干涉条纹调制度的最大值位置，并以此作为零光程差位置，对光电测量系统中的机械精度与光电测量精度对测量结果的影响进行了定量计算，使用本方法，在1％的光强测量精度下可达到10nm的位置定位精度。     

正交线偏振激光器原理与应用(Ⅱ)--物理现象研究

系统介绍了作者实验室发现的正交线偏振激光的物理现象及对若干问题的理论分析.包括:强烈与中度模竞争之间的转换,即竞争中两个频率之一由振荡到熄灭或从熄灭到振荡的过程;强烈模竞争的频差范围的确定(0～40 MHz左右);双折射双频激光器腔调谐中出现的4种偏振态组合(o光振荡、e光不振荡,o光、e光同时振荡,o光不振荡、e光振荡,o光、e光都不振荡,循环重复);双折射双频激光器频差调谐现象;双折射Zeeman双频激光器的功率调谐、频差调谐特性;正交线偏振激光回馈自混合干涉中两个频率的相互抑制,强度的转移;双折射外腔回馈引入的条纹倍频现象;石英晶体旋光性造成的激光两端偏振方向的差异及随晶片旋转的改变,频率分裂畸变等.     

基于偏振相移的干涉条纹细分原理

基于偏振相移和相关分析,提出一种高分辨率、方便实现的干涉条纹细分原理.该原理将细分环节由电子线路信号处理部分向前移,通过干涉条纹强度分布综合信息的分析与处理来实现,即通过具有高分辨率的偏振相移操作,对干涉相位进行相位调控,使干涉条纹强度分布回到位移起始时的状态,则与相位调控量对应的光程,即为位移的λ/2小数倍部分.由于偏振相移采用具有极大放大倍数的硬件机械运动实现,因而能取得可靠的高分辨率细分.理论分析和模拟结果显示,该干涉条纹细分原理可容易地达到nm级细分分辨率.     

基于不同棱镜的微角度测量系统及影响因素分析

为了进一步改进微角度测量系统,研究系统的测量分辨率的影响因素,文中选用了半五角棱镜以及菱形棱镜替代原微角度测量系统中的直角棱镜。系统在保证光束可以沿原光路返回激光器腔内的前提下,通过旋转不同的棱镜进行微小角度的测量。在理论模拟过程中选择条纹计数法得出所测角度的大小,同时分析了不同尺寸的棱镜及不同波长的激光光源对于测角系统的光程差的影响,从而得出在合适的范围内通过选择波长较小的激光器作为光源,或更换较大尺寸的棱镜作为系统的关键光学元件,在相同的测角范围内可以获得更高的测角分辨率。文中提出的更换不同棱镜的微角度测量系统还可以为今后的基于不同光学元件的激光自混合测角技术奠定理论基础。     

自带计量标准器的二维位移工作台研究

提出以平面正交衍射光栅作为二维位移工作台计量标准器的方法，随工作台的移动，光栅能同时检测一个平面上两个方向的位移．阐述了正交衍射光栅作为位置检测元件的工作原理及其光路布置方法。二次衍射光线的两两迭加，形成两组干涉条纹信号，且这两组干涉条纹信号的相移与光栅两个正交方向的位移呈正比，通过光电转换和计数细分处理电路得到条纹信号的相移；检测光路布置在工作台下方，通过几组直角棱镜使干涉条纹信号进入光电探测器．实验分析了工作台的测量精度，有效分辨率提高到10nm．     

基于无衍射光莫尔条纹的微小位移测量分析

利用He-Ne激光器发出的激光经准直扩束镜后通过轴锥镜,形成径向光强分布呈零阶贝塞尔函数形式的无衍射光,该无衍射光方向性好,在通过反射与折射时不易产生能量损失.然后,通过多次分光与反射得到两束无衍射光,并产生干涉形成莫尔条纹.最后,根据莫尔条纹产生的数目和中心点的位置变化得出位移量,建立莫尔条纹数量变化与微小位移间的数学模型,分析判断工作台产生的偏摆角、滚转角以及俯仰角的误差,并通过ZEMAX软件仿真验证该数学模型的正确性,实现高精度的微小位移测量.     

新型无衍射栅型结构光投影系统

提出了一种用于相位法测量的无衍射栅型结构光条纹投影系统,以截面三角棱镜为主要光学元件来获取无衍射栅型结构光投影条纹.从理论上分析了栅型无衍射结构光的无衍射特性以及三角棱镜相关参数对条纹图样的影响,实验测量了系统观察屏上的条纹间距.理论分析与实验表明:该系统产生的无衍射结构光条纹的光强成正弦分布且对比度好,用于相位测量可以获得较高的相位分辨率,提高相位法测量的精度.整个系统光路简单、结构紧凑,有利于系统的集成与小型化.     

高斯光束反馈下多重激光自混合干涉特性分析

多重激光自混合干涉是多重光反馈引起一次和二次反馈光引发二级干涉条纹的干涉现象。文中利用孔阑传输线的分析方法,将高斯光束在外腔中二次反射过程等效为光束依次穿过一系列同轴孔阑的传输过程。根据高斯光束在孔阑上的光强分布,将作为激光器的前端面作为边界条件,积分得到一次和二次反馈光强,推导高斯光束反馈下的多重激光自混合干涉公式,进一步模拟分析外腔长度与二级干涉条纹幅度的相互关系,并进行实验验证。结果表明减小外腔长度有助于增大二级干涉条纹幅度,增强多重激光自混合干涉。     

提高激光干涉测量系统精度的方法与途径

激光干涉系统的测量精度会受到系统本身机械结构及光学元件布局的影响，因此采用了耦合差动干涉的方法，使影响测量精度的各种因素尽量由干涉系统自身予以消除，提高了干涉仪的分辨率和稳定性．利用以Heydemann修正模型为基础的误差补偿方法，对干涉信号中存在的非正交误差、不等幅误差及直流电平漂移误差进行了修正．根据多点拟合的原理，提出了减小运算量的新算法．设计了以C8051F005单片机为核心的电路补偿模块，实现了以上3种误差的实时补偿．实验结果表明：通过采取以上措施，该干涉测量系统在10mm的测量范围内取得了10～12nm的测量精度．     

光纤延迟线对激光器线宽测量的影响及修正

针对延迟线长度对拍频测量法的影响进行了理论分析,并找出了延迟线长度不同时测量线宽和激光本征线宽的关系模型.在此基础上对自制的窄线宽光纤激光器纵模线宽进行了测量.使用消除延迟线长度对线宽测量的影响的数据修正方法,得到的激光器的本征线宽为5.74 kHz.之后将实测数据分别与利用该方法得到的功率谱线型和标准洛伦兹线型进行比较,证明这种修正方法能够更准确的反映激光通过延迟线后的线型.     

基于CCD检测微机控制的光干涉微位移自动化测量新方法

光干涉法可以测量物体的微小位移，提高测量微小位移的分辨率及对移动方向的自动判断，具有工程应用的实际价值。论文首次提出电荷耦合器件（CCD）采样并与计算机结合实现对物体微位移的细分及辨向，给出原理图、程序流程图、计算机检测方法及技术指标。     

激光器纳米测尺原理

以笔者发现的激光频率分裂、模竞争、腔调谐等双折射双频激光物理效应，研制成激光器纳米测尺。激光器自身就是纳米量级位移传感器，利用腔内双折射元件把一个激光频率分裂成2个频率（⊥光模和∥光模）；当一腔镜沿激光器轴线移动并使这两个频率扫过激光增益区时，强烈和中等程度的竞争交替出现，把出光带宽分成3个等宽区间；合激光纵膜间隔为出光带宽的4/3时，在腔镜移动第一个λ/8波长内强竞争使⊥光模抑制掉∥光模，第二个λ/8波长内中度竞争使⊥光模和∥光模可一起振荡，第三个λ/8波长内强竞争使∥光模抑制掉⊥光模，第四个λ/8波长内⊥光模∥不振荡，激光器无光输出；4种状态重复一次，反射镜移动λ/2，计算出状态数，可知腔镜位移。由4个区域光偏振各不相同来判断腔镜位移方向。腔镜经一个机械测杆和被测物接触，实现被测物位移测量。测量范围已达15mm，分辩率79.08mm，线性度5×10-8，重复性2σ优于0.314μm。该成果是激光技术和精密计量两领域交叉融合取得 的自主原创性、有重要意义的突破性进展。