基于双波长法补偿空气折射率的激光追踪系统ZEMAX仿真方法

提出了一种基于双波长法补偿空气折射率的激光追踪测量系统的ZEMAX仿真分析方法。利用光学器件对偏振光的变换特性来建立系统的能量模型,建立了基于ZEMAX软件的光学系统模型,分析了光学系统中非理想的光学元件性能对干涉条纹对比度的影响。仿真分析结果表明,当光学系统分光部分、追踪部分和接收部分的分光镜的分光比分别为2…8、6…4和5…5时,条纹对比度达到0.99,光学系统的干涉效果最好。光学系统中的偏振分光镜在非理想条件下,对干涉信号的条纹对比度的影响较小。     

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.     

用于纳米测量的单频偏振激光干涉仪的光路集成方法

提出了一种正交偏振干涉仪中光学元件位置固定与性能检测的方法,用于亚纳米级测量分辨力激光干涉仪的光路系统集成及其性能评价。构建了光学干涉仪在线检测与评价系统,基于强度检测方案,实时地对干涉仪输出的四路偏振光信号强度、干涉条纹可见度以及各路干涉信号之间的正交状态进行检测,并完成了小尺寸正交偏振激光干涉仪的光路集成;分别对分立式与集成式干涉仪的稳定性和微弱振动信号测量进行了对比实验。实验表明,集成式激光干涉仪的测量分辨力可达10 pm/Hz～(1/2),信噪比优于分立干涉仪10 dB,稳定性明显提高。     

频率扫描干涉中参考干涉仪的非线性误差分析

针对频率扫描激光干涉测距系统的参考干涉仪中存在的大量光学元件会产生非线性误差,本文基于偏振分光镜(PBS)的非理想分光性能分析了非线性误差的产生机制,推导出PBS非理想分光性能条件下的非线性误差模型,并提出了消除非线性误差的改进方法。利用MATLAB进行建模仿真表明,PBS非理想透射率和反射率对非线性误差的影响为二次谐波,透射率和反射率相差越大,非线性误差越大,当二者值相等时非线性误差大幅减小。当PBS反射率为0.90且透射率为0.97时,用传统的正交检测方法产生最大为383.3 kHz的非线性误差,而采用本文提出的方法只存在5.3 kHz的线性误差。     

红外成像系统中激光耀斑成因机理

在使用CO2激光干扰红外热像仪时发现了大面积同心圆环状激光耀斑.针对激光耀斑的形状,综合考虑等厚干涉的形成条件、等厚干涉条纹的形状、热像仪光学系统的结构、热像仪的光阑结构、光学元件在出现损伤后生成的衍射条纹形状、圆孔衍射的光斑形状、CO2激光的热效应等因素,对其成因从干涉、衍射和热像仪光阑二次成像等角度进行了分析,对部...     

角锥棱镜后向衍射特性的Zemax分析

当角锥棱镜(CCR)作为激光的合作目标时.其后向空间衍射特性是进行系统设计所必须考虑的.Zemax具有强大的物理光学计算能力,可对非序列光学元件角锥棱镜的后向衍射特性进行仿真,仿真结果精度高,方法简便具有通用性.首先建立了角锥棱镜的几何模型.分别计算了在垂直和倾斜入射条件下,理想和具有二面角误差角锥棱镜近场和远场的衍射图样,最后考虑偏振效应下角锥棱镜的衍射图像,将近场模拟结果与实际测量值进行了对比,具有非常好的一致性.根据定量的仿真计算结果,得到了一系列有益于工程设计的结论,借助于Zemax,将对不同使用要求的角锥棱镜及其系统设计产生极大便利.     

面向大振幅、长周期振动校准的零差正交激光干涉测振方法

针对零差正交干涉测量应用于超低频超大振幅标准振动台性能测试时非正交相移误差补偿困难、所需采样率极高的问题,提出了一种欠采样零差正交激光干涉测振方法。在设计消偏振分光测量光路的基础上,提出波片偏航调整方法,进行非正交相移误差的硬件实时补偿;提出基于运动状态预估的卡尔曼正交信号解调算法,对深度欠采样的干涉条纹进行相位信号解调,以大幅降低所需的采样率及产生的数据量。实验和仿真结果表明,文中方法可大幅降低零差正交干涉的非正交相移误差及其对波片角度偏差的灵敏度,且在测量超低频振动时,卡尔曼正交信号解调算法所需的采样率和每通道数据采集点数降低至奈奎斯特采样定理的0.056%。文中提出的欠采样零差正交激光干涉测振方法较好地满足超低频超大振幅标准振动测试的需求。     

激光工作物质的高精度检验

一、引言 光学干涉仪是测量光学元件面形、评价透镜质量最常用的手段。七十年代人们将微型电子计算机及相位探测技术应用到干涉计量上,使干涉条纹的数据处理成为独立系统而将高精度光学元件的检验发展到一崭新阶段。美国贝尔实验室首先研制成带微型计算机的条纹扫描干涉仪,使干涉条纹的测量精度由λ/10提高到λ/50～λ/100。我们运用MarkⅢ型干涉仪测量了各种光学元件及光学材料的质量,对仪器的性能进行了分析和讨论。 二、实验结果和讨论 Mark Ⅲ型激光数字波面干涉仪是将位相测量技术应用于费索干涉仪上,利用实时相位同步检     

激光回馈双折射测量系统稳频技术研究

波片、晶体等自然双折射元件广泛应用于各种光学系统中。普通光学元件在加工、镀膜等过程中会引入残余的内应力,形成双折射。双折射会对整个光学系统的性能产生影响,需要对其进行精确测量。基于激光回馈效应,利用偏振跳变中光强调制曲线与双折射的线性关系,构建了光学元件双折射测量系统。通过引入稳频技术,使激光器长期稳定单纵模运转,增强了激光器的抗干扰能力,提高了系统的稳定性。实验结果表明,构建的激光回馈双折射测量系统测量精度优于0.24,重复测量最大偏差0.13,标准差0.06,稳定性好,可靠性高,可实现在线测量。该系统有潜力应用于微小应力的在线测量,如飞机座舱盖、汽车玻璃等。     

利用消杂散光的偏振光技术提高光学读出红外成像检测灵敏度

在基于刀口滤波技术的光学读出的非制冷红外成像技术中,光学元件的反射会在CCD靶面引入杂光光斑,使得检测到的光强信号中FPA的像所占比例降低,因此降低了光学检测灵敏度。采用偏振光学读出系统,即在光路中添加偏振片、四分之一波片,利用对透过光和反射光的偏振方向有选择的偏振分光棱镜代替原有分光棱镜,用偏振光原理消除光路中光学元件的反射杂散光,使FPA像在CCD靶面接收到的光强中所占比例大幅度增加,进而提高光学检测灵敏度。偏振光路检测实验结果显示,检测灵敏度比非偏光实验提高了约47%,与理论分析值一致。     

基于数字化二次曝光干涉的光学元件波前畸变测量

将傅立叶变换条纹分析方法与二次曝光全息干涉计量相结合，提出了数字化二次曝光干涉术，用于测量光学元件引入的波前畸变。文中给出了理论分析，模拟与光学实验结果证实提出的方法具有高精度、快速的波前测量特点，可应用于激光系统中光学元件的波前畸变在线检测。     

光电探测器上多组圆环条纹的现象与机理

在开展激光对光电成像系统的干扰实验时,观察到光电探测器上多组圆环条纹并存的现象,并采用对光学系统拆解、测量、建模重构和光线追迹的方法揭示了每一组圆环条纹的产生机理。首先,对实验所用的光学系统进行拆解,测量各个镜片的曲率半径、厚度、通光孔径等几何结构参数,并采用TRACEPRO光线追迹软件建立了该光学系统的理论模型。基于该光学系统模型,追迹大量光线经光学系统传输后在光电探测器上的能量分布,分析每一种能量组分的来源,发现多组圆环条纹的出现是由于不同激光能量组分的干涉效应而产生的,并揭示了产生每组圆环条纹的对应能量组分。文中的研究结果可为激光对光电成像系统的干扰效果评估提供技术支撑。     

非多普勒激光传感器测量风速

佐治亚技术研究所的Benlen’kii研制出一种非多普勒单端激光风力传感器原型。这种传感器以称为残余湍流闪烁效应的激光束降解现象为基础，将激光束露天发送到反射目标。从而产生一种活动激光斑纹或干涉条纹、图样来测量长距离上的侧风速。条纹对比度、即通过激光束运动的阴影波严格与传播路径中的湍流强度有关。条纹运动与空气运动或路线积分的侧风有关。科学家用一个接收望远镜观察活动散斑图，通过望远镜焦面上两只水平分离探测器信号之间的交叉相关确定了路线积分风速（见图）。位于激光器旁的非多普勒风力传感器的光学系统。传感器远距…     

超精表面缺陷检测的光学混频误差分析

双频激光外差干涉法与扫描探针相结合的超精表面缺陷检测系统具有很高的分辨率。但系统光源和光学器件的各种误差因素会产生非线性混频误差,影响系统精确测量。利用琼斯矩阵分析了同时存在激光光源椭圆偏振化和方位角误差以及光学器件相位延迟和偏振泄漏等综合因素引起的偏振态变化,并由此研究了它们频率混叠产生的非线性误差。结果表明,由各种误差因素引起的非线性混频误差呈正弦规律变化,激光光源非理想和偏振分光镜对位移测量误差影响较大而1/4波片的影响较小。同时,结合计算结果对系统提出了减少非线性误差的方法措施。     

新型零差激光干涉仪振动测量系统

针对传统零差激光测振光路调试困难,提出一种简单的零差测振光学系统.采用二象限(或四象限)探测器作为该系统的探测器,由于两个象元处于干涉条纹的不同部分,探测器输出两路非正交多普勒信号,利用最小二乘法把两路非正交多普勒信号校正成正交信号,利用微分相除积分操作处理正交信号,最终解调出振动信号.实验表明:该振动测量系统调试简单...     

光学相控器件调制误差对干涉投影条纹的影响

以马赫泽德干涉光路结构为基础,采用电光材料的光学相控技术产生用于光学形貌测量的干涉投影条纹。为了研究电光晶体作为光学相控器件的相位调制误差对干涉条纹质量的影响,建立了电光晶体对干涉条纹质量的模型,分析晶体折射率、平面度与波前调制的关系及其对干涉条纹质量的影响。仿真结果表明,电光晶体调制误差会影响干涉条纹质量。理想平面度下晶体折射率的畸变会使干涉条纹变形,折射率离散化阶数直接影响投影条纹的高次谐波成分,甚至导致投影条纹严重失真;折射率理想的情况下,晶体平面度的差异也会造成干涉条纹不同程度的形变。     

采用四象限探测器检测干涉条纹正交信号的新方法

将四象限探测器应用于激光干涉的测量领域,提出一种检测激光干涉条纹正交信号的新方法.利用四象限探测器的探测区域象限化特征,以及干涉条纹在探测单元内的矢量叠加原理,实现了干涉条纹的正交信号检测.实验表明,通过改变四象限探测器的旋转角度,可以简便地检测到条纹的正交信号.当检测不同周期的干涉条纹时只需旋转四象限探测器至适当角度,就可检测到相应周期干涉条纹的正交信号,并且采用了差分技术处理信号,从而有效地抑制了外界环境产生的噪声.与传统检测方法相比具有易于操作、抗干扰能力强等优点.     

用于相位缺陷检测的动态泰曼干涉仪

为了实现光学元件相位缺陷的大视场、高分辨率、动态检测,设计了一种动态泰曼干涉仪。该干涉仪采用短相干激光器结合迈克耳孙干涉结构产生1对相位延迟的正交偏振光,以此作为光源,通过匹配偏振型泰曼干涉仪干涉腔的相位差,补偿参考光与测试光之间的相位延迟。利用偏振相机瞬时采集4幅移相量依次相差π/2的干涉图,通过移相算法即可求解得到相位缺陷的信息。利用平面波角谱理论进行仿真,分析了二次衍射对测量结果的影响;利用琼斯矩阵法分析了偏振器件误差对测量结果的影响。实验检测了1块激光毁伤的光学平板,测试结果与Veeco NT9100白光干涉仪测量结果相比,相对误差为2.4%。此外,采用所述方法对强激光系统中光学平晶的相位疵病进行检测,测试结果显示波前峰谷值为199.2nm。结果表明,该干涉仪能够有效应用于光学元件相位缺陷的检测。     

干涉条纹空间频率对数字叠栅移相干涉测量精度的影响

基于数字叠栅移相干涉原理,分析了CCD像元尺寸、随机噪声和量化误差对采样后干涉条纹和合成叠栅条纹对比度的影响,并就干涉条纹频率对叠栅移相干涉相位测量精度的影响进行了理论分析和仿真研究。结果表明,随着干涉条纹空间频率的增大,CCD的采样过程、随机噪声和量化噪声会影响叠栅条纹信号的对比度和信噪比,并通过相位解算过程直接影响数字叠栅移相干涉的相位测量精度。以相位测量精度为π/50(折合光程差精度为λ/100)作为判断标准,对应可探测干涉条纹的最大空间频率为0.45λ/pixel,为后续数字叠栅移相干涉测量范围的研究提供了定量理论依据。     

光载微波信号抗大气干扰的研究

为了研究射频强度调制激光信号光源的参量,特别是调制深度对调制波的抗干扰能力产生的影响,采用干涉法对射频强度调制激光信号在通过大气湍流干扰后其相位的变化进行了理论分析和实验验证。搭建了Mach-Zehnder干涉仪,参加干涉的两束光分别为未经调制的单频光和调制后的双频光。以干涉条纹对比度作为信号相位起伏的衡量标准,比较不同大气湍流干扰条件下,干涉条纹的对比度随调制深度的变化。大气湍流由空间光调制器模拟产生,分别在26.32%,42.04%,67.59%和85.04% 4种调制深度下,比较有无大气湍流时干涉条纹的对比度的变化。结果表明,调制信号的调制度越深,其抗大气湍流干扰的能力越强。该结论对双频激光雷达光源的选择具有一定的参考意义。