非接触玻璃厚度测量系统

该文研究了一种基于迈克逊干涉仪原理的非接触玻璃厚度测量系统。利用样品前后表面反射回来的探测光与参考臂的反射光发生干涉产生弱干涉信号,并用信号处理模块对弱干涉信号光进行差分放大,再对其进行带通滤波、包络解调等,从而得到玻璃厚度。系统还利用了直线电机控制反射镜实现光程的变化,并对待测物纵向深度信息进行高速循环式探测,从而实现了对玻璃厚度的高速、高精度、循环式测量。该系统适用于平板玻璃、光学镜片等玻璃制品厚度的高精度测量。     

光纤频谱仪测试膜厚的新技术研究

在“Y”型光纤一个端面上垂直放置涂有透明薄膜的玻璃片，入射光在薄膜层的上下表面处两次反射，由于光程差的存在，反射光会发生干涉。不需要测量干涉条纹，根据Fresnel反射定律，仅通过对反射光谱的分析计算，可以测出薄膜的厚度以及折射率。该方法测量精度高、速度快、对薄膜无破坏作用。膜厚测量范围为0．5至几十微米，测量误差小于7nm。     

食用油品质的光学低相干外差干涉检测法

液体的折射率是一个重要的物理参数,在外界一定的条件下,掌握液体折射率及其变化,则可以了解其纯度、浓度等参数及品质。提出一种用低相干光外差干涉方法测量反复使用食用油的折射率,进而鉴别油的品质。实验以改进的迈克尔逊干涉仪为基础,将样品油放入测量臂光路中,当两束分别来自测量臂与参考臂的低相干光的光程接近相等时,会出现光外差干涉现象。利用光电探测器得到此干涉信号,根据前后相应的光程变化量,进而得到待测样品的折射率。食用油经反复加热1、2、3、5、7次后,葵花油的折射率分别为1.469 5、1.469 7、1.470 1、1.470 7、1.471 3,玉米油的折射率分别为1.468 8、1.469 1、1.469 4、1.470 1、1.471 1。结果表明,该方法可以准确测量出不同加热次数食用油的不同折射率,测量稳定性较高,能快捷、有效地鉴别反复使用的食用油品质。     

基于低相干光干涉的液体折射率测量

液体折射率是液体一个重要指标,介质中折射率的变化会影响光程,提出一种用低相干光干涉测量光程变化,进而测得折射率的方法。通过调节两束低相干光使它们之间的光程差在相干长度之内,将被测液体放入一束光路中,根据光电探测器得到的干涉信号可求得相应的光程变化量,进而得到待测液体的折射率。利用低相干光干涉测量折射率的方法,其测量和计算过程方便快捷,受外界限制因素小,在810nm波长下,对折射率的测量精度可以达到10-4量级以上,是测量各种液体折射率的有效方法。     

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。     

基于白光干涉的纳米级生物膜层厚度测试的研究

提出了利用光学干涉原理在光纤传感器端面上直接测量生物免疫反应的方法，能够测试到纳米级厚度生物膜层的亚纳米级厚度增加量。将生物膜(如抗原)固定在光纤探针端面上，入射光在光纤生物层、以及生物层一空气的界面处两次反射，由于两束反射光之间存在光程差，所以产生干涉现象，通过分析干涉谱线可以测量出抗原层的厚度。当抗原和抗体发生免疫反应后，生物膜层的厚度产生变化，干涉谱线产生移动，通过检测干涉谱线的移动来判断样本溶液中是否存在待测抗体。能够测试出亚纳米级生物膜厚度的增加量。给出了测试曲线。该方法测试精度高，结果可靠，测试系统简单，具有较强的实用性，并能够进行实时测量。     

光纤傅里叶变换光谱仪采样系统

提出了一种用于连续扫描光纤傅里叶变换光谱仪(FFTS)的干涉图采样系统,将激光干涉信号用Hilbert变换产生正交信号,由于相位反转点的存在,导致Hilbert变换产生的信号出现畸变,对变换结果进行了修正。该信号和原信号成为两个互相正交信号,利用这两个信号整形后的相位关系可得到光程扫描的起始点和光程扫描的方向。根据光程扫描的起始点和方向选择可上升沿部分的参考光和测试光干涉信号,用改进的Brault算法重新得到等光程间隔抽样的干涉图。该设计方法可以用DSP 技术实现简单、紧凑型的采样系统,不仅可提高FFTS的信噪比,还可以推广到传统的傅里叶光谱仪中。     

水下声信号的激光干涉测量

为准确测量水下目标的发声频率,在光学暗室下建立了基于激光干涉法探测水下目标的实验系统。当水下声源引起水表面波动时,用激光照射水面,携带声波信息的水面散射光与参考光干涉,利用精密光学测量装置探测光程差的改变,通过数据采集和处理系统从干涉信号的频谱分析图中解调出水下声信号的频率信息。干涉信号的频谱分析图中存在以水下声信号频率为中心的频带,频带宽度与自然水表面波引起的多普勒频移有关。实验结果表明,水下发声目标引起水表面波动的振幅在纳米级,系统可以实时探测出4～15kHz的水下声信号,且测量标准偏差7Hz。该系统可满足水下目标识别技术的实时性、准确性等要求。     

锥形内表面干涉测量误差分析

为了实现对回转锥形内表面的形貌精密测量,分析了干涉测量中误差产生的原因,明确了误差对测量结果造成的影响。通过在圆柱坐标系下建立数学模型,推导出偏移误差和角度误差的数学公式,并对误差公式进行分析。结果表明:圆锥反射镜的偏移量和顶角的加工误差都会造成光程差;当偏移量极小时,光程差与反射镜偏移量成线性关系;光程差对于角度误差非常敏感,为了保证测量精度,需要严格控制圆锥反射镜的顶角大小。     

AFM悬臂定位系统中光干涉误差及减小方法研究

光杠杆法是原子力显微镜（AFM）悬臂定位的主要方法。由于悬臂自身的尺寸和材料特性、检测光路系统等因素制约，悬臂弯曲测量时存在光泄露。被试样表面反射的部分泄露光与悬臂反射光产生干涉，在探针一试样接近曲线中产生光干涉误差。基于轻触模式AFM，分析了光干涉误差的产生原因，并对其引起的AFM测量误差进行了数学分析和仿真、提出了减小光干涉误差的方法。实验结果和理论分析表明，为了进一步提高AFM的测量精度，有必要克服定位系统中的光干涉误差。     

光学外差干涉法检测微弱超声振动的研究

设计一个具有较高检测灵敏度的光学外差干涉系统,用于检测微弱超声振动信号。采用相干性高的线偏振光作为光源,提高有效干涉强度;利用光阑消除光学噪声,有效控制回授光对光路的影响;以1级光作为参照,使光路调节简单易行。用主频为62.42KHz、幅值为74V的方波信号激励超声探头作为振动信号源,测得振动信号频率和幅值分别为62.38KHz和76.4mV。结果表明该系统能满足微弱超声振动检测要求。     

Balanced homodyning for apertureless near-field optical imaging

A quadrature optical detection technique, based on polarized balanced-homodyne interferometry, has been developed for specific application to apertureless near-field scanning optical microscopy (ANSOM). With such technique, multiplicative background interference, inficiating quantitative optical imaging in standard homodyne-based ANSOM, can be suppressed. Periodic modulation of interferometric optical phase, typically employed in heterodyne-based ANSOMs even to such purpose, is not needed in the present configuration. Homodyne detection also facilitates detection of harmonic components of the ANSOM optical signal at the probe/sample distance modulation frequency, necessary for near-field discrimination and suppression of artifacts. Furthermore, since amplitude signal is not affected by phase fluctuations generated in the optical path of the interferometer, an optical fiber could be included in one interferometer arm, to couple the ANSOM head to the detection system, obtaining improved versatility of the instrument. A demonstration of the interferometer performance is given by a test confocal optical scan of a mirror surface. This technique, as applied to near-field microscopy, is anticipated to provide absolute values of optical contrast not depending on background interference and topography artifacts.     

一种滚转角和直线度同步干涉测量方法的研究

提出一种用于精密线性位移台滚转角和运动直线度同步测量的激光外差干涉系统。该干涉系统由一个Koster棱镜、角隅棱镜、分光镜、1/2波片、直角棱镜、1/4波片以及楔面棱镜和楔面反射镜组成。楔面棱镜作为测量运动直线度和滚转角的传感器固定在线性导轨上,当双频激光器的光射入干涉系统中后,形成空间对称的六光束测量信号。空间结构对称、系统共光路的特点使光学分辨率比普通的迈克尔逊干涉仪高一倍,光程死区达到最小。系统稳定性好,抗环境干扰能力强。光路对称使得增加或减小的光程变化相同,其他自由度引起的光程变化相互抵消,仅有运动直线度和滚转角的变化可以进入光程差,有效地排除其他自由度及阿贝误差的串扰,实现高精密测量。试验证明相互平行且不同频率的两束光在同一反射系统中发生运动直线度偏移和滚转角变化时,通过两束光携带的不同相位信息能直接得到运动直线度和滚转角的变化值。它不需要一条与行程同样长度的大反射镜作参考便能够实现高分辨率测量,简单实用,可直接溯源米定义。     

局域波时频相干方法及其工程应用

由于在工程现场采集到的振动信号一般为多个激励源所引起的振动响应的叠加,有效源信号往往被淹没在其他信号的干扰之中。对信号相似性评价标准进行研究,在此基础上提出局域波时频相干算法,将其应用于往复式压缩机缸体的故障诊断中。首先,双通道同步采集往复式压缩机气阀及缸体信号;其次,应用循环互相关方法消除气阀信号与缸体信号中气阀成分之间的时延;最后,应用局域波时频相干方法去除缸体信号中的气阀干扰成分。工程应用表明,该方法可以将气阀干扰信号从复合信号中剔除,实现往复式压缩机缸体及其内部部件的准确监测与诊断。     

干涉测量低频水下声源频率的改进算法

为了实现低频段水下发生目标频率的准确识别,搭建了一套激光干涉测量系统。在相位生成载波解调技术的基础上,提出了一种改进的基于相位生成载波反正切算法的解调方式。在光学暗室下利用分立光学元件搭建了一套干涉实验系统,在参考光路引入水面波动作为高频载波,利用水表面漫反射的主反光与参考光干涉获得干涉信号。以相位生成载波解调技术的反正切算法为基础,引入高频载波信号的一倍和二倍正弦混频。通过功率比较的算法在两组正交信号当中筛选功率较强的一组进行解调,避免了载波初相位导致的正交信号消隐引起的解调失真。最后,在模拟的低频大幅度海浪扰动情况下进行了探测实验,取得了良好的解调效果。实验结果表明:水下声源的低频探测下限约为30 Hz;100Hz以上频段的频率探测精度优于1Hz。改进的反正切解调算法能够避免解调失真,具有很强的抗干扰能力。     

Spurious Mild Wear Measurement Using White Light Interference Microscopy in the Presence of Antiwear Films

Commercial scanning white light interference microscopes are able to map surface topography to very high resolution and can thus measure very small amounts of wear on rubbed surfaces. These instruments are therefore being increasingly used to study aspects of mild wear. It is shown in this Technical Note that, when used on surfaces that have been rubbed in lubricants containing the antiwear additive zinc dialkyldithiophosphate (ZDDP), some white light interference microscopes can produce an apparent but spurious wear measurement. The transparent and relatively thick antiwear film generated by ZDDP on rubbed surfaces produces an optical path difference that is incorrectly interpreted as wear. It is thus suggested that surfaces that have been rubbed in lubricants containing ZDDP or other thick film-forming additives should be treated to remove tribofilms prior to wear measurement using scanning interference microscopy.     

用程差衍射器件实现激光干涉无导轨测距

提出在以半导体激光器为光源的迈克尔逊干涉系统的一臂中，插入一 栅距具特定分布的衍射光栅，使干涉场中各点的光程与待测合作目标的光程成 对应相等的关系，进而可使目标的距离相应地反映于干涉平面上，实现绝对测距 的目的。