基于光强实时反馈控制和同步校准的波长调谐移相干涉系统

波长调谐移相干涉技术是通过改变光波长来计算相位的。为了减少可调谐激光器在变波长进行移相时光功率的随机变化对相位计算产生的误差,本文提出了一套光强实时反馈控制系统和同步校准方案。首先分析了光强在某一范围内的随机变化产生测量误差,并选用合适的光电检测设备搭建了一套光强控制系统。该系统能够将光信号转化为电信号,并通过PID来实现对光强的控制。实验结果表明,本系统能够将光强的变化范围控制在±0.002 mW以内,其响应速度达到600 kHz,已远远超过干涉仪CCD的取图速度。最后,对口径为50 mm的光学元件进行表面形貌检测,加入本控制系统后,面形精度的测量指标PV值和RMS值分别提高了1.53×10^-2λ和2.43×10^-3λ,表明本系统在高精度的光学元件检测领域具有重要的实用价值。     

半导体激光器电流调制实现短相干光源

传统的干涉仪采用激光光源,由于激光的高相干性,在平行平板、棱镜等特殊光学元件测量时存在严重的串扰;LED、钨灯等光源因准直性较差、光强稳定性差和相干长度较短等特征,同样不适合作为特殊光学元件检测干涉仪的光源。短相干激光光源具有方向性好、亮度高和相干长度适中等优点,是特殊元件检测干涉仪的理想光源。针对短相干干涉仪对光源的需求,对通过电流调制半导体激光器光源的相干性进行了理论研究。研究结果表明,调制频率越高、调制强度越大,光源的相干长度越短;偏置电流越大,输出功率越高,相干性也会变好,不利于产生短相干光源。在此基础上,搭建并研制了一款短相干激光光源,该光源相干长度为80μm,光源的旁瓣抑制比下降为0.31,输出光功率可达30 mW,能够满足短相干测量对光源的要求。     

双频激光光源技术研究现状与进展

双频激光的波长稳定性及频差大小直接影响激光干涉仪的测量精度及测量速度,因此高性能双频光源对激光干涉仪的测量至关重要.介绍了近20年双频激光技术的最新进展,比较了实现双频输出的不同方案,如塞曼分裂、双折射及声光调制等,简明阐述了不同双频激光器的原理、特点及应用场合,对其光学分离方式、频差大小、安装难度及结构成本等特性进行...     

激光波长补偿问题

波长补偿是激光干涉仪中的重要问题,补偿误差是激光干涉仪的重要误差源,本文分析了激光波长补偿的原理,比较了三种实用的波长补偿方法,进而提出一些正确使用激光干涉仪的方法。     

基于光强自标定移相算法检测光学面形

考虑菲佐型波长移相干涉仪中波长可调谐激光器光强与调节电压之间的关系会对相位计算精度造成影响,本文提出了一种基于光强自标定的波长移相算法。首先,分析了波长可调谐激光器调节电压与输出光强之间的关系,建立了数学模型;然后,依据最小二乘判据,推导出了波长移相干涉仪的光强自标定移相算法。最后,实施了仿真实验,通过计算机生成背景光强具有一定变化的12幅干涉图,利用所提出的算法进行了相位恢复。结果表明,提出的算法可以很好地免疫激光器的光强变化,实现高精度的相位恢复。对口径为100mm的平面镜的测量结果显示RMS为0.005λ,PV为0.073λ。与ZYGO干涉仪测量结果的比较显示,两次测量面形的偏差RMS为0.0014λ,PV为0.022λ。得到的结果证明了算法的可行性及在菲佐型波长移相干涉仪中的实用性。     

激光干涉仪波长的自动实时补偿

介绍了激光干涉仪在现场测量中激光波长的补偿,通过分析激光干涉仪测量数据处理公式,提出了波长补偿值用终端修正的方式进行自动实时补偿的理论。     

一种激光测长干涉仪

本文介绍的一种激光测长干涉仪是用于激光球面干涉仪的测长系统。本文不叙述中介绍的激光干涉仪的详细设计,而着重说明碰到的有关问题:如复合分光棱镜的设计,硅光电二极管的光电转换及放大、抗振和抗干扰等。     

共光路外差干涉仪中激光束角漂移的影响

共光路外差干涉仪中激光束角漂移的影响＊李鹏生于瀛洁张琢于英满（哈尔滨工业大学哈尔滨１５０００１）０引言双频激光共光路外差干涉仪测量表面微细形貌原理如图１所示［１］,光路１和光路２的干涉信号的光强由光电元件接收。通过分析计算［２］,可得如下关系式：１．...     

光强非线性响应下的光致热弹光谱光强修正

提出了基于光强非线性响应的光致热弹光谱光强修正方法,实现了激光光强的准确修正。控制DFB激光器工作于波长调制模式,设置激光调制频率为16 369.75 Hz,通过光纤放大器增强其出射光强非线性项的幅值,光束经多次反射池后汇聚于石英音叉根部激发光热信号,采用数字锁相放大器解调得到对应的谐波信号,通过多项式拟合谐波信号背景,反演得到与浓度及光强分别对应的谐波信号。实验结果表明,当光强从22.03 mW变化至3.16 mW,谐波信号背景幅值与光强具有良好的线性关系,线性相关系数大于0.998,归一化后的谐波信号幅值波动小于0.37%。针对甲烷测量,系统在较大的浓度范围内具有良好的线性响应,谐波信号信噪比表明系统的最低检测限达0.22×10-6。该研究为光致热弹光谱的光强修正提供了一种新的方法,可有效提高LITES系统在长期测量应用中的稳定性。     

双波长集成光栅干涉微位移测量方法

介绍了一种基于双波长激光的集成光栅干涉位移检测方法,利用该方法对硅-玻璃键合工艺制作的集成光栅位移敏感芯片进行了测试实验。实验系统主要由敏感芯片、波长为640nm和660nm的双波长半导体激光器、双光电二极管及检测电路组成,敏感芯片则由带反射面的可动部件和透明基底上的金属光栅组成。入射激光照射到光栅上产生衍射光斑,衍射光的光强随可动部件与光栅之间的距离变化,通过分别测量两个波长的衍射光强信号并交替切换选取灵敏度较高的输出信号,实现了一定范围内的扩量程位移测量,并得到绝对位置。实验结果表明,利用双波长集成光栅干涉位移检测方法测得敏感芯片可动部件与基底光栅的初始间隙为7.522μm,并实现了间隙从7.522μm到6.904μm区间的高灵敏度位移测量,其噪声等效位移为0.2nm。     

基于马赫-曾德干涉仪的光纤电流互感器设计

电流互感器作为一次侧电流的常用计量设备之一,它在电力系统的交流电测量、继电保护、电力设备检修控制等相关领域均具有十分重要的地位。针对传统电流互感器存在的线性度低、抗干扰能力差及精度低等问题,尤其在工频小电流精确测量这一难题方面更是捉襟见肘。鉴于此,本文提出一种基于马赫-曾德干涉仪的光纤电流互感器。该互感器利用电流经过电阻所产生的焦耳热改变光纤中的光信号特征,从而引起马赫-曾德干涉仪的输出信号变化,然后通过光电探测器完成对干涉仪的光信号捕捉,并将其转换为电信号输出,完成工频小电流检测。结构上通过采用PCB型罗氏线圈作为感应取电装置,并利用MATLAB完成其动态响应分析。另外针对信号采集、传输、处理过程中所出现的噪声信号,设计了基于FPGA技术的信号处理系统,以提高信噪比。最后通过实验对工频小电流进行测量,线性度为0.996 1,检测精度可达到0.14%。实验结果表明提出的光纤电流互感器相较于传统光学电流互感器相比,具有更高的线性度和测量精度,为基于热效应的电流互感器发展提供了新的思路,也为工频小电流的测量提供了一种新的方法。     

采用相位调制方法的光纤干涉仪

为了实现小巧紧凑且使用灵活的大量程位移测量,提出了一种采用相位调制方法的光纤干涉仪。首先,介绍相位调制方法,分析内调制与外调制的特点,指出由于内调制的局限性,外调制更适于较大量程的位移测量。然后,用数学推导和MATLAB仿真对已有的位移解算算法中的反正切法与微分交叉相乘法进行分析,证明在毫米级量程的位移测量中反正切法优于微分交叉相乘法。最后,搭建了采用相位调制方法的光纤干涉仪,并进行了实验验证。实验结果表明:相比于微分交叉相乘法,反正切法更适用于毫米级以上量程的位移测量,基于相位调制的光纤干涉仪在毫米级步进运动中的相对误差最大为255.21nm,标准差为78.56nm,基本满足高精度大量程的位移测量需求。     

A frequency domain method for the measurement of nonlinearity in heterodyne interferometry

This paper presents a method for the measurement of nonlinearity in heterodyne interferometry which utilizes the frequency spectrum of the output of the photodetector for the direct measurement of the magnitudes of the first and second harmonic nonlinearities. The underlying theory and the experimental technique are discussed. Results showing the application of this technique for the determination of the influence of the azimuthal alignments of the polarization beamsplitter, the analyzer and measurement retroreflector are presented. The applicability of the technique to the in situ optimization of an interferometer system is demonstrated. It is shown that using this technique an interferometer system can be optimized to reduce the first-harmonic nonlinearity to below 0.5 nm p-p and the second harmonic nonlinearity to 2 nm p-p. This method is contrasted with other methods and the advantages conferred by the elimination of an external reference and the phase measuring electronics are highlighted.     

Subnanometric calibration of a differential interferometer

A novel self-calibration method is proposed for calibrating differential interferometers with subnanometer resolution, and the basic characteristics of the method are discussed. Analysis shows that without using any external reference, the calibration accuracy approaches the resolution limit of the interferometer, which is determined by the signal-to-noise ratio (SNR) and the stability of the measurement system. A compact differential interferometer that uses a laser diode as the light source has been developed in order to demonstrate the viability of the proposed calibration method. The conventional fringe-counting and phase modulation methods are combined in order to extend the measurement range and improve the resolution of the interferometer. The developed interferometer was calibrated using the new method, and the calibration results were compared to those obtained by a comparison calibration method that uses a capacitance displacement sensor as the reference.     

Phase detection using AD8302 evaluation board in the superheterodyne microwave interferometer for line average plasma electron density measurements

In this paper the use of AD8302 evaluation board from analog devices for phase detection and consequently line average electron density measurement in the superheterodyne microwave interferometer is described. The phase is directly measured from this board. This method is very cheap and easy to integrate. For the measurement, signals that were obtained from the IF of both the mixers in the interferometer were fed as inputs to the evaluation board. The output was connected to an oscilloscope to capture the voltage trace. The voltage reading was then converted to phase angle by using the calibration data provided with the evaluation board. The plasma used to test the phase detection system was a microwave plasma discharge. The phase measurements were obtained very quickly without the use of a computer. These were then translated to line average electron density. The values were agreeable to published results.     

激光干涉绝对重力仪数据采集与处理的时间优化方法

激光干涉绝对重力仪作为高精度绝对重力测量中的典型测量仪器,单次测量的常规流程一般是电机驱动、数据采集、重力加速度绝对值计算和结果的显示与存储。这种顺序控制过程中,存在耗时长、结果输出时间误差较大的问题。本文创新性地提出一种时间优化方法,通过建立数据采集前电机驱动与采集后数据处理两个过程时间复用机制的时间优化模型,对顺序控制方式中的各步骤进行优化与重新配置,实现缩短常规测量的测量时长,减少结果输出时间误差的目的。实测结果表明,时间优化方法将单次测量时间从原来的34.3±0.3 s,精确控制为22 s,误差5 ms,大幅提高测量效率的同时实现了单次测量时间的精准控制,也增加了与同类观测数据的融合分析的可行性。     

基于ZigBee的干涉仪测控系统设计

针对传统干涉仪需要手工调节机械装置,自动化程度低等问题,该文设计了一套以ZigBee-CC2530为核心的无线测控系统。该系统将2个CC2530节点分别作为射频信号收发器,以点对点通信的方式实现无线控制功能。同时利用微软基础类库MFC(Microsoft Foundation Classes)设计了上位机软件,通过串口通信控制精密电机的运转,并在仪器内部基于不同条件设计了对应的行程限位解决方案,使得精密电机可以满足测控要求定点制动,提高了干涉仪的测量效率和精度。     

单频激光干涉系统的研制

单频激光干涉仪采用整体式的布局,提高了测量系统的稳定性和灵敏度,光程差放大技术,提高了系统的分辨率,利用偏振光移相和共模抑制的方法,对干涉仪的4路相互正交的信号进行差分处理,减小光强零漂以及环境变化对系统的影响,最终通过误差补偿修正处理,系统可以获得高质量的输出信号.     

A proposed design for a polarization-insensitive optical interferometer system with subnanometric capability

A bidirectional, fringe-counting, two-beam interferometer system is described that can be used for precision length measurement with any laser source that is adequately coherent for the application. The two electrical phase-quadrature signals required for bidirectional electronic counting are obtained from photodetectors at the two interferometer outputs. A thin metal film design for the beam-splitter coating introduces the required phase difference of nearly 90° for both the perpendicular and parallel polarization components. Electronic alignment and control are performed by a system used to continuously monitor the signals produced from the outputs and automatically process these signals to achieve the optimum performance from the interferometer. Interferometers using the technique require a limited amount of optical alignment and all of the electronic adjustments are automatically controlled by the electronic system. These instruments are economical to manufacture and easy to apply in practice, readily achieving subnanometric accuracy in the measurement of changes in optical path.     

基于正弦相位调制的光纤干涉位移测量系统研究

针对全光纤干涉仪工作距离短、测量范围小等问题,提出了一种基于正弦相位调制的全光纤干涉系统,在参考臂通过电光调制器引入的调制参考光,与探头接收到的目标反射光产生干涉。根据锁相放大原理从干涉信号中提取出正交分量后,首先建立由正交分量构成的观测模型,通过卡尔曼滤波对正交分量的幅值和偏置进行迭代估计和修正,降低由相位延迟、调制深度漂移、寄生干扰等导致的幅值漂移和附加偏置;然后利用反正切法对反射光与参考光之间的相位差进行解调。开展了模拟干涉信号的相位解算仿真模拟和位移测量实验。仿真和实验验证了该算法解算相位的有效性。结果表明,该位移测量系统的工作距离可达到20 cm,测量精度为10 nm。