一种基于迈克尔逊干涉仪的浓度/折射率在线测量系统的研究

浓度是表征溶液性质的重要物理参数之一。本文设计了一种基于旋转比色皿结合迈克尔逊干涉仪的浓度/折射率在线测量系统。将液体加入比色皿并旋转5°,利用CCD采集光强数据和自编的计数程序,可实时测量旋转前后干涉条纹移动数目之差,并由此计算NaCl和葡萄糖溶液的折射率和浓度。对质量百分比浓度为0、10%和20%的NaCl溶液进行了折射率测量和误差分析,发现与相关理论值的相对误差仅为0.61%、0.63%和2.2%。葡萄糖溶液的浓度—折射率关系曲线也呈现出线性良好、可靠性高的特点。总之,基于迈克尔逊干涉仪的浓度/折射率在线测量系统具有测量非接触、结果可靠、高效实用的特点。

基于激光干涉仪同步测量的动态校准装置

为满足时变几何量的瞬时动态测试需求,研制了一种基于激光干涉仪同步测量的动态校准装置。该装置采用直线运动导轨和运动发生器、长度标准器激光干涉仪,以基于GNSS驯服时钟的同步触发器实现同步测量并确保时间准确稳定,并使用动态校准软件实现控制一体化。经综合分析激光干涉仪的最大允许误差、直线运动导轨的直线度、环境因素、触发信号间时延及激光干涉仪测量时延等因素,该装置的长度示值的测量不确定度为Q[1.8μm,3×10^(-7)L](k=2)。与同型号激光干涉仪的比对实验和激光跟踪仪瞬时长度测试实验,证明了不确定度评定的合理性以及该装置在瞬时动态准确度测试中的可行性。

应用于超高速流场电子密度分布测量的七通道微波干涉仪测量系统

高超声速飞行器在临近空间飞行时,由于飞行器与空气剧烈的相互作用,形成包含等离子体鞘套和尾迹的等离子体流场,研究其电子密度分布特性对高超声速飞行器的目标识别、测控通信等具有重要意义.地面模拟实验测量是研究等离子体包覆高超声速飞行器电磁散射特性的有效方法之一,为满足地面模拟实验瞬态等离子体流场电子密度分布的测量需求,本文提出了一种Ka波段七通道微波干涉仪测量系统研制方案.该系统采用单发七收的方式,利用单曲面透镜将波导开口天线辐射的电磁波转化为近似平面波,将7个平行且非对称排列的开口波导作为接收通道天线,缩减了接收天线的尺寸以及天线之间的距离,提高了测量的空间分辨率.基于七通道微波干涉仪测量系统在弹道靶和激波管设备开展了动态实验,测量了超高速流场电子密度二维分布,结果表明该系统具备瞬时大动态范围信号的接收能力,幅度线性动态范围优于65 dB,相位动态范围180°,响应时间优于1μs;所测量的超高速流场等离子体电子密度二维分布,能够较好地反映弹道靶设备与激波管设备产生的瞬态等离子体细节变化,电子密度测量动态范围为(10^(10)-10^(13))cm^(-3)量级,电子密度测量误差不超过0.5个数量级,径向空间分辨率优于15 mm.

基于矢量衍射理论的光栅干涉仪位移测量误差研究

光栅干涉仪位移测量系统作为测量领域中最精密的测量仪器之一,由于在测量过程中光栅的姿态位置无法保证完美装配,使得光栅的光栅矢量方向与运动矢量方向之间出现偏差,导致位移测量结果出现周期性非线性误差。文中针对在光栅干涉仪位移测量过程中出现的光栅与位移台以及读数头之间的姿态位置误差进行分析,通过分别建立位移坐标系及光栅坐标系,参考惯性导航领域中飞行器姿态表示方法,利用一维光栅的横滚、俯仰和偏航角共同描述一维光栅相对于位移台的装配状态。通过基于矢量衍射理论分析光栅干涉仪位移测量时三个维度的角度偏差量,对可能产生的位移测量误差进行了分析说明。基于广义一维光栅方程,探究出了一个更为普遍的结论,为后续装置的改进提供理论依据,以提高系统的测量精度。

改进的迈克尔逊干涉仪测量钠黄光双线波长差

在迈克尔逊干涉仪实验教学及科学研究过程中发现齿轮经常脱扣的现象,这对测量结果产生了严重影响。本文中,我们将传统的齿轮咬合式迈克尔逊干涉仪改进为杠杆式迈克尔逊干涉仪,有助于避免齿轮咬合式迈克尔逊干涉仪中多个齿轮间容易脱扣的现象。利用钠光灯照射杠杆式迈克尔逊干涉仪,观察到了明显的光拍干涉图样,测量了钠黄光双线波长差。钠黄光双线波长差的测量结果为0.5953±0.0054(nm)。本文的研究有助于提升迈克尔逊干涉仪装置的测量稳定性,实现在光谱定标、光学传感、生化检测等领域的长期稳定使用;有助于提升学生发现问题、解决问题的能力;以及有助于学生提升将不同科目知识相结合的能力。

一种基于三角基线干涉仪的天基定位技术

测向定位是一种计算量小、成熟度高的定位技术,常用于干涉仪等测向系统。测向定位传统采用二维正交基线测量目标入射方位角和俯仰角,通过计算方位角、俯仰角锥面与地球曲面交点完成定位计算。提出了一种基于三角基线干涉仪的天基定位技术,充分利用不同基线测向精度差异与锥面交线的构型特征,使测向精度与锥面交线构型更好地匹配,从而实现更高的定位精度。最后通过仿真验证了该方法的可行性和有效性。

电磁点源辐射线法用于复杂二维干涉仪测向研究

战斗机综合电子战系统采用二维干涉仪实现方位和俯仰同时测向,用于实现高精度无源定位或引导火控雷达等快速截获目标等。方位干涉仪天线通常安装在机翼前缘等位置,由于受重力或在飞行中颤动等影响,天线出现下倾而不在飞机机体水平面内,现有基于电磁辐射源远场近似平行投射原理进行测向建模过程方法非常复杂且困难。针对非正交二维干涉仪测向难题,提出了一种简洁高效的测向模型,将投射电磁波假设为空间中的辐射点源,由辐射点源到二维干涉仪天线距离差与相位差的关系,再利用辐射点源对应的空间方向线上超过一定距离时的任意点到干涉仪天线相位差近似相等的前提,得到辐射点源空间三维位置的三个方程,求解得到空间三维位置进一步得到电磁波方位俯仰的二维测向公式。对算法模型及其误差进行理论、仿真分析和实际工程验证,结果证明了该方法的有效性。

星载迈克尔逊干涉仪直线动镜的柔性支撑结构研究

针对传统迈克尔逊干涉仪动镜支撑结构存在成本高、寿命低、维护难度大、大行程大负载下导向精度差的问题,设计了一种高精度迈克尔逊干涉仪角镜柔性支撑结构,具有低成本、高精度、大负荷的优点。提出以柔性支撑结构的承载能力、行程和导向精度为优化目标的结构刚度模型,选择材料和尺寸参数,开展运动结构设计。有限元分析结果表明该支撑结构在1.5 kg的负载(角镜)下,当行程达到4.5 mm时,柔性结构的最大拉应力约为169 MPa,结构安全裕量为1.98,角镜竖直方向的寄生位移小于4.1μm。专项测试结果显示,支撑结构承载1.5 kg负载(角镜)在4.5 mm行程内,竖直方向的寄生位移小于4.7μm,直线度的均方根误差为1.5μm,与设计结果较吻合,可以满足星载迈克尔逊干涉仪对高精度直线动镜的支撑要求。

地基引力波探测激光干涉仪的真空残余气体噪声分析

引力波是时空弯曲产生的涟漪波动.引力波探测对促进人类认识自然和科学技术进步均具有深远意义.由于引力波信号非常微弱,地基引力波探测器需要超高真空环境来保证激光干涉仪的稳定运行.本文阐述了残余气体噪声对地基引力波探测装置灵敏度的影响,并从第三代地基引力波探测原型机和全尺寸装置的真空系统设计出发,通过理论分析和模拟,给出真空系统压强、环境温度、残余气体质量和种类、测试质量的曲率半径等因素对引力波探测灵敏度的影响.这为引力波探测原型机和全尺寸装置的真空系统设计和建设提供了重要的理论依据.

单/双站辅助的干涉仪标校与选站方法

传统的固定基线干涉仪多误差联合标校方法需要三个以上的标校站才能实现干涉仪的在轨实时标校,但是在标校站数量不足时传统方法性能将降低甚至失效。针对标校站数量不足的情况,本文提出一种固定基线干涉仪单/双站标校算法。在干涉仪与标校站之间存在相对运动的条件下,首先通过多次测量获得一组标校信号相位差,其次利用所得相位差列出关于干涉仪各项系统误差的方程组,最后使用Penrose逆矩阵辅助的迭代最小二乘法求解出各项系统误差值。仿真结果验证了所提算法的可行性。在此基础上,针对标校站选址对标校后干涉仪定位性能影响的问题,分解标校站选址的各项指标,通过数值仿真的方式,定性分析了标校站选址的各个参数对干涉仪定位精度的影响。分析结果表明,单站情况下位于星下点附近的标校站或双站情况下相距较远的两个标校站均能让标校后的干涉仪获得更优的定位性能。

基于F-P干涉仪CH_(4)气体点源探测关键参数仿真分析

基于多光束干涉光谱成像原理,研究一种高空间分辨率甲烷气体点源探测方法。首先,介绍了甲烷气体探测仪的工作原理和探测方案,详细设计法布里-珀罗干涉仪的系统参数,并建立甲烷气体探测正演模型。然后,分析了干涉信号和甲烷浓度之间的对应关系,以及仪器参数对探测灵敏度的影响。最终,迭代优化得到各光学结构参数的最优取值。结果表明,在甲烷探测波段为1630~1675 nm,自由光谱范围为12.5 nm,光谱分辨率为0.1 nm,法布里-珀罗标准具腔长为0.08 mm,腔内反射率为97.5%,截止滤光片范围为(1630±4)nm~(1675±4)nm时,探测源25%浓度变化对应的干涉信号相对变化量范围为[0.65%,4.30%],探测灵敏度较好。研究结果可为高精度碳监测提供理论依据和技术支撑。

面向TDI技术地面验证的激光干涉仪本底噪声分析

在空间引力波探测中,由于星间激光干涉臂不等,导致激光频率噪声不能共模消除,从而使微弱的引力波信号被激光频率噪声淹没。时间延迟干涉(TDI)技术通过将激光相位数据在时间上延迟,构成虚拟等臂干涉,从而能减小激光频率噪声对引力波信号探测的影响。为了在地面验证TDI技术能够将激光频率噪声对引力波探测的影响降低至3×10^(-7) Hz/√Hz(傅里叶频率1 mHz处),需要分析TDI地面验证系统本底噪声的主要来源。通过实验测量和计算分析,提出了面向TDI技术地面验证的激光干涉仪的重要参数设计要求,包括激光干涉臂的臂长差、激光频率稳定度、气压稳定度、激光功率稳定度以及各部件温度稳定度等。

基于贝叶斯动态模型的激光干涉仪漂移误差预测

针对长时间测量时激光干涉仪产生的漂移问题,提出了一种基于贝叶斯动态模型的漂移误差预测方法。通过采集非测量阶段的漂移误差序列,分析了数据特征并据此建立了贝叶斯动态模型。然后,利用无信息先验分布法获取了递推所需的初始信息,运用贝叶斯递推算法训练并估计了模型状态参数。最后,基于实验室自制的迈克尔逊激光干涉仪对漂移误差预测效果进行了实验验证。结果表明:与常用的最小二乘拟合法和神经网络建模法相比,基于该方法预测补偿后的残余漂移误差的均方差分别减小了67.85%和99.08%;由重复实验的预测效果可知,残余漂移误差的均方差较补偿前都减小了82%以上。验证了提出的基于贝叶斯动态模型的漂移误差预测方法的有效性和稳健性。

分布式间歇采样转发信号对机载干涉仪参数测量影响分析

针对反机载干涉仪侦察场景,该文提出一种基于间歇采样转发技术生成分布式信号对干涉仪参数测量施加干扰的方法。辐射源与转发干扰机分布部署构成干扰系统,转发干扰机对辐射源脉冲信号进行间歇采样并向干涉仪转发,转发信号与辐射源信号准同步到达干涉仪,实现对干涉仪空域参数和时域参数的同时干扰。对于机载干涉仪运动过程中与干扰系统发生的位置关系变化,给出信号准同步约束并构建分布式信号叠加模型。然后针对干涉仪体制对脉冲空域和时域参数的测量机理,分析分布式信号实施干扰的原理,并分析信号参数对干扰效果的影响,进而提出分布式信号设计原则。仿真实验和暗室实验结果表明,该文所提出分布式波形可有效扰乱干涉仪对信号到达方位角、脉宽和脉冲重复周期等空时域参数的正确测量。

损耗SU(2)和SU(1,1)干涉仪中灵敏度过高估计的研究

基于损耗SU(2)和SU(1,1)干涉仪模型,以干涉仪中的相位估值的为研究方向,在理论上研究了与双参量相位估值相比,进行单参量相位估值的时候存在的高估量子Fisher信息(quantum Fisher information,QFI)的一般表达式;以相干态和压缩真空态输入为例,数值分析了高估QFI随损耗系数或分束比的变化,发现这时出现的高估QFI的消失和恢复现象是和分束比,增益因子以及压缩振幅具有一定的关系.通过调整分束比和损耗系数,可获得最佳的灵敏度,有利于在有损环境下进行量子精密测量.

基于低粘度硅油波动的动态干涉仪误差标定

液面绝对检验法通常以高粘度液体平面作为基准标定光学平晶的平整度,基准液面的稳定时间及受干扰后恢复时间长。文章提出动态液面绝对检验法,采用动态干涉仪测量低粘度硅油表面的动态面形,将其平均值作为基准面,用于标定干涉仪的系统误差。基于多维模态分析原理,建立液面波动模型,使用有限元法进行仿真。仿真结果显示,动态液面是以地球半径对应的标准液面为基准的垂直波动,振幅呈余弦形式。液面平整度在采样时间内剩余误差的均值可以控制在10^(-3)nm量级。在Φ300mm立式动态斐索干涉仪上采用0.65Cst粘度、液面厚度3mm的硅油进行实验,采样时间30s。将低粘度硅油动态干涉测量标定结果与静态绝对检验结果进行比对,二者面形分布一致,PV值偏差为λ/63,RMS值偏差为λ/400。仿真和实验结果证明了干涉仪系统误差可以用低粘度硅油干涉测量均值结果标定。

基于马赫-泽德干涉仪级联结构的高灵敏度光纤温度传感器

光纤温度传感器由于其结构的小型化和抗电磁干扰能力强受到了研究者的广泛关注,但目前部分传感器灵敏度无法满足实际需求。针对这一问题,提出了一种基于Lyot滤波器和马赫-泽德干涉仪级联的高灵敏度光纤温度传感器。马赫-泽德干涉仪由两个级联的气泡型凸锥组成,因其全保偏光纤结构具有较好的稳定性。同时,作为传感干涉仪的Lyot滤波器是通过在两个线偏振器之间以45°角熔接一段保偏光纤制成。通过调整Lyot滤波器中传感部分保偏光纤的长度,使其自由光谱范围接近马赫-泽德干涉仪,从而产生游标效应增强级联传感器的灵敏度。实验结果表明,Lyot滤波器的灵敏度为-1.4 nm/℃,级联传感器的灵敏度提高到-28.3 nm/℃,灵敏度放大倍数为20.2。所提出的光纤温度传感器偏振稳定性强、制作简单、灵敏度高,能够满足工业领域中的高精度应用需求。

综合实验试题D:基于迈克耳孙干涉仪的液晶光学和光场相干性实验

介绍了第9届全国大学生物理实验竞赛综合研究性实验试题D的命题设计和实验内容,并给出参考解答以及竞赛结果分析.综合实验试题D基于迈克耳孙干涉仪实验系统,测量液晶双折射率的光学属性和电光调制效应,测量LED光源的相干时间,探究如何改善光场的空间相干性.竞赛结果表明:大部分考生对教学大纲中涉及迈克耳孙干涉仪中的基本实验内容掌握较好,但对常规仪器设备的扩展使用和应用能力尚存在不足,开放性的自主设计和搭建实验光路对培养学生完成既定实验目标的能力仍有待提高.

“物理建模”实验教学模式的教学实践——以“迈克尔孙干涉仪测量激光波长”实验为例

在物理实验教学中发现,低年级本科生普遍缺乏物理建模思维,难以通过科学知识的建构历程获得对知识的深刻而全面的理解.为解决此问题,国防科技大学的大学物理实验课程以“物理建模”思想和“精益思想”创新教学模式,开展“物理建模”实验教学模式的教学设计,强化物理建模思维的培养.通过该教学模式在大学物理实验课程中的教学实践,以“迈克尔孙干涉仪测量激光波长”实验为例详细介绍“物理建模”实验教学模式的教学设计,为物理实验的教学改革提供借鉴.

利用迈克耳孙干涉仪研究光的时间和空间相干性

采用迈克耳孙干涉光路,搭配光电探测器和光纤光谱仪,分别测量时域和光谱信号.在光谱信号的辅助下,调节干涉光路准直和两臂光程差,快速定位白光干涉等光程点.利用压电位移台带动扫描镜在等光程点附近进行光学延迟扫描,测量时域干涉波形,实现对光源相干长度的测量.LED白光光源搭配带通滤光片,实现不同谱宽光源相干长度的测量对比.利用小孔光阑限制扩展光源的发光尺度,分析干涉条纹对比度,实现空间相干性的演示和测量.