大承载气浮回转工作台的调心技术

为了实现大口径光学元件表面轮廓的高精度测量,提出了一种大承载气浮回转工作台的调心技术,并研制了一套具有偏心自动调整功能的测控系统。该系统主要由精密气浮回转轴、台达PLC、数显千分表和轮廓仪工作台组成。利用VC++的PLC串口通讯和偏心调整软件的控制,实现了轮廓仪的自动调心功能。

改性1-3型压电复合材料理论模型与仿真

针对高机电耦合系数和曲面换能器的应用需求,该文提出一种由压电陶瓷、环氧树脂和硅橡胶三相复合的改进1-3型压电复合材料,基于Newnhams串、并联分析对复合材料的理论模型进行了推导,并利用Matlab进行了数值计算,分析了改性1-3型复合材料的结构参数对厚度机电耦合系数、等效密度和厚度频率常数的影响。结果表明,陶瓷-环氧复合相的体积分数为0.2~0.5,陶瓷-环氧复合相中的压电陶瓷体积分数为0.6~0.7时,改性1-3型压电复合材料的性能参数较好;利用ANSYS软件对复合材料进行了有限元仿真,将仿真结果与理论计算进行了对比,二者具有较好的一致性,验证了理论模型评估材料性能的准确性。

一种光学相位延迟谱的测量方法

通常光学相位延迟测量方法都采用单一波长的光进行测量,无法准确反映延迟量随波长的变化。文章提出了一种简便的相位延迟谱的测量方法,该方法利用平面偏振测量仪,通过旋转待测元件并测量系统的透射光谱,进而按照原理算法解算出相位延迟谱。实验结果表明,该方法具有很好的重复性,操作简便,测量结果的重复性可以保持在0.41°以内。

波面重构中非圆域Zernike正交基底构造方法

针对非圆域波面拟合中Zernike多项式失去正交特性、拟合系数交叉耦合的问题,提出非圆域Zernike正交基底函数构造方法。以圆Zernike为基底,采用Gram-Schimdt正交组构造方法,线性表出单位正交基底。通过构造不同遮光比环形光阑下的正交基底与环Zernike多项式进行比较,验证了此方法的正确性。然后采用圆Zernike多项式和构造的新基底对矩形光阑下的波面进行了拟合,从拟合残余误差、各项基底系数的稳定性、传递矩阵的条件数等分析,结果表明针对特定的非圆域构造的新基底可靠性和抗扰动能力优于圆Zernike多项式。此方法不需要具体求出基底的解析表达式,不同非圆域仅是正交化系数矩阵发生改变,为非圆域正交基底构造提供了一种新途径。

猫眼波前定位虚实结合干涉非球面参数误差测量(特邀)

非球面广泛应用于光学系统中。表征非球面的基本参数包括顶点曲率半径、圆锥系数以及高阶非球面系数,它们贯穿了非球面的设计、制造、检测、装调过程。对非球面参数的高精度测量是加工和装调的前提。提出了一种基于虚实结合干涉仪的部分补偿非球面参数误差测量系统。在该系统中,采用部分补偿干涉法测量剩余波前,复用干涉仪利用轴向扫描透镜的猫眼波前定位法测量补偿镜与被测镜之间的间距,采用虚实结合迭代算法进行参数误差求解。该系统仅需在部分补偿干涉光路中引入会聚透镜,装调简单,测量精度高。通过一个四次非球面参数误差测量实验验证了该方法的有效性和精度。

基于最大似然法的共焦拉曼光谱成像方法

随着现代科技对纳米微观区域兴趣的增加,如DNA测序、分子纳米器件微结构检测等,其对拉曼光谱技术的空间分辨力提出了更高的要求,而现有共焦拉曼光谱技术受自身原理限制,空间分辨力已无法满足科学需求。针对这一问题,在现有共焦拉曼光谱技术的基础上,提出一种基于最大似然算法的共焦拉曼光谱成像方法。该方法将超分辨图像复原技术与共焦拉曼光谱技术相结合,利用基于Poisson-Markov约束的最大似然超分辨复原算法对共焦拉曼光谱图像进行超分辨图像复原处理,恢复图像高频成分,进而改善共焦拉曼光谱系统的空间分辨能力,实现超分辨成像。仿真分析和实验结果表明,提出的基于最大似然算法的共焦拉曼光谱成像方法在不改变现有共焦拉曼光谱系统光学结构的前提下,仅对单幅拉曼光谱图像进行超分辨图像复原处理,即可将系统空间分辨力提高到200nm,实现超分辨成像,同时该方法具有较强的噪声抑制能力。该方法有效地提高了共焦拉曼光谱系统的空间分辨力,为物理化学、材料科学等前沿领域中的高空间分辨微区光谱探测提供了一种新的途径,是一种行之有效的高空间分辨的共焦拉曼光谱成像方法。

基于二次曲线拟合的共焦拉曼光谱探测方法

拉曼光谱技术因其光谱信息丰富、非接触、无破坏、样品用量少、高灵敏度等特点,为现代前沿基础科研领域提供一种有力的分析手段,成为分析科学的研究热点。激光共焦拉曼技术结合共焦显微探测和拉曼光谱探测技术,具有空间分辨力高、可层析探测的优势,在物理化学、材料科学、生物医学、考古及文物鉴定、刑侦科学等众多领域应用广泛。现有共焦拉曼系统由于在扫描过程中无法对探测点进行定焦,因而在长时间的探测过程中会因环境变化、系统漂移等问题导致系统离焦,从而造成测量结果存在误差甚至错误的问题。本文针对这一问题,在现有共焦拉曼系统的基础上,提出一种基于二次曲线拟合的共焦拉曼光谱探测方法。该方法利用二次曲线对光谱共焦曲线进行拟合,通过寻找曲线最大值,得到系统焦点,进而在扫描过程中对每个探测点进行焦点定位后,采集该点光谱信息,从而保证扫描过程中系统始终位于焦点位置,消除系统离焦对实验结果的影响,实现共焦拉曼光谱系统的精确测量。通过仿真分析和实验结果表明:本文提出的基于二次曲线拟合的共焦拉曼光谱探测方法可以有效消除系统离焦对实验结果造成的影响,提高系统轴向定焦的准确度,为共焦拉曼光谱技术的进一步应用提供了保证,是一种行之有效的定焦准确、抗漂移强的拉曼光谱测量方法。

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。

头部旋转运动下自适应非接触鲁棒性心率检测方法

基于人脸视频的生理信号检测面临的主要挑战是运动伪影噪声.针对受试者头部刚性旋转运动引起的伪影噪声,本文提出利用头部运动信息构建自适应滤波器的非接触式心率检测方法.该方法利用人脸二维和三维的特征点计算受试者运动中头部的偏航和俯仰欧拉角度,并将其作为调控过程噪声协方差的信号质量指数,进而构建了自适应Kalman滤波器,实现了稳健的心率估计.实验结果表明:本文提出的方法可有效抑制头部刚性旋转运动引起的噪声,平均绝对误差为2.22 beat/min,均方根误差为2.76 beat/min,与现有方法相比准确度分别提升9%与24.6%,具有统计显著性.本文提出的头部旋转角度自适应非接触鲁棒性心率检测方法在自发运动的真实场景下能有效提升检测的准确性,扩大了成像式光电容积描记技术在视频健康监测领域的使用场景.

基于套接字编程的共焦布里渊光谱测试装置

与拉曼光谱等光谱测试分析方法相比,布里渊光谱可反映测试样品弹性系数等力学性能。采用中心波长为532nm的单纵模激光器作为激发源,使用扫描型多通道双串联式法布里-珀罗干涉仪对产生的布里渊光进行探测,成功搭建了一套共焦布里渊光谱测试装置。系统利用具有远程通信功能的套接字端口方式获取光子数,进行光谱采集和显示。该方法可进一步应用于与共焦布里渊显微成像相关的大型系统远程联动装置,在仪器设计方面具有广阔的应用前景。利用该套基于套接字编程的共焦布里渊光谱测试装置,测得树脂玻璃、硅胶和二氧化硅玻璃的布里渊光谱,并计算得到相应的纵向弹性系数。

平板玻璃中部应力的偏振移相检测法

基于平面偏振干涉测量原理,提出了一种用于平板玻璃中部应力检测的偏振移相干涉测量法。通过旋转检偏器实现了偏振移相,采用建立的数学模型得到了应力双折射数值及其分布曲线,由玻璃的应力光学系数得到了中部应力值。对浮法平板玻璃样品的中部应力进行了实验研究,结果表明,所提方法的测量误差可控制在3%以内,测量重复性优于1nm/cm,验证了所提方法的可行性。

共焦布里渊显微镜轴向成像特性

搭建了共焦布里渊显微镜装置,采用532nm的单模激光器激发样品布里渊散射光,显微物镜放大倍数为100倍,数值孔径为0.8,采用串联扫描式多通道法布里-珀罗(F-P)干涉仪收集布里渊光。从实验中测得了装置的共焦光强响应曲线,以及二氧化硅玻璃、硅胶和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)3种样品的布里渊光谱。采用全新的光子数组分权值数据处理方法仿真分析了此装置的轴向成像分辨力,以及测试样品为二氧化硅玻璃-硅胶-PMMA多层样品时,样品的频移、轴向声速和纵向弹性模量3种参量的轴向成像特性,并对此方法获得的3种参量的轴向成像特性曲线进行了误差分析。仿真结果显示,光子数组分权值数据处理方法可使装置的轴向成像分辨力提高至约2μm。在信噪比高于1.46dB时,通过误差关系曲线可获得精确的布里渊频移值、轴向声速和纵向弹性模量。

非线性拟合消光比测量方法

为克服光电探测器动态范围不足,难以在同一条件下精确测量线偏振器的最小光强透射率及最大光强透射率的问题,提出一种基于非线性拟合的消光比测量方法并搭建了相应的测量装置。该方法只需在限定的角度范围内旋转被测线偏振器并采集对应的光强变化,根据建立的数学模型,进行非线性余弦拟合数据处理,进而解算出消光比。实验结果表明,该方法的测量精度可达10-5量级,并具有较好的重复性,验证了提出方法的有效性。

可编程光纤延时系统特性

采用17个光开关和16段不同长度光纤的级联方式,搭建了一套可编程光纤延时系统,实现的延时范围为0~65535 ns,步长为1 ns,数据刷新率可达100 Hz,延时稳定性为0.2 ns,延时抖动小于0.32 ns,整套系统损耗小于31 dB。对可编程光纤延时系统的延时精度、损耗和数据刷新率等特性进行了研究,分析了损耗和色散对延时测量的影响,提出了一种减少延时测量误差的阈值补偿法,弥补了损耗和色散引起的延时测量误差。

基于瓶形泵浦腔的太阳光抽运激光器研究

为了实现高效的太阳光泵浦系统,有必要设计一种兼具低热冲击和高聚光量的泵浦腔。利用TracePro软件建立菲涅耳透镜、瓶形泵浦腔二级系统,通过优化确定了最佳入窗口径、入窗位置、出窗口径、瓶腰直径、瓶腰位置、晶体棒长。通过理论计算得出了长度为60 mm晶体棒的泵浦阈值功率为4.568 W/m^(2),最佳系统结构的输出功率为18.21 W,热透镜焦距为31.0 cm。在与锥形腔的比较中计算得出两种腔形下晶体棒的轴向温度分布曲线,通过对比表明,瓶形腔在减少热冲击和提高抽运光均匀性上具有明显的优势。本文的优化设计为后续实验提供了新思路。