基于低频外差干涉的光纤环形器重合度检测

光纤点衍射环形器是激光相干多普勒测振系统中光纤光路和空间光光路耦合的关键器件,其耦合效率等性能参数对测振系统测量准确度和测量距离的提升具有重要意义.常规环形器重合度检测采用能量监测法和远场重合度监测法,不能对光纤失配因素进行定量分析,环形器耦合效率的一致性无法保障.针对上述问题,提出了一种基于低频外差干涉的相位检测技术,利用干涉相位信息进行光纤相对姿态解算,可有效解决光纤环形器重合度定量检测的问题.对不同光纤相对姿态形成的干涉波前进行了仿真分析和实验验证,给出了光纤相对横向位移、纵向位移和光轴偏离角度与干涉相位PV(peak-to-valley)值、Zernike系数和环形器耦合效率间的规律,实现了干涉相位到光纤失配因素的分离解算,解算结果可指导光纤相对姿态的调整.最后通过实验验证了该技术的可行性,结果表明该技术对于光纤横向位移的检测精度优于1μm,为提升光纤环形器重合度提供了新的检测途径.

300 mm晶圆翘曲检测竖直装夹形变分析及验证

针对晶圆翘曲检测中晶圆受外力引入附加形变难以消除及量化的问题,面向快速高精度晶圆翘曲工业检测提出一种改进的竖直自动装夹方案,具有精确约束、装夹流程简单等优势。借助理论分析和有限元仿真结合晶圆翘曲表征方法,提出了一种晶圆装夹设计的分析方法,得到了不同关键设计参数与晶圆附加翘曲的关系,实现了竖直装夹机构关键参数的正向设计,并基于设计结果进行了重复装夹验证实验。分析及实验结果表明,竖直装夹在保证晶圆姿态倾角小于0.02°、底部固定约束位置斜面角度35°±1°、夹持力不大于2 N且与竖直方向夹角不超过2°时,可以保证300 mm单晶硅晶圆的附加翘曲弯曲度不超过70 nm,翘曲度不超过1000 nm。该装夹方案拥有精确约束和简洁装夹流程等优势,对研制300 mm晶圆高精度几何形貌测量仪及大尺寸光学元件装夹具有一定的指导意义。

基于多光束混合外差干涉的相位增强技术研究

激光外差干涉测量技术是微振动探测的重要手段,随着微纳应用的拓展,人们对精密测量系统的相位检测灵敏度提出了更高的要求.传统提高测量灵敏度的方法有优化外差干涉系统方案、改进相位重建算法和降低关键器件噪声等.本文提出了一种多光束混合干涉的相位增强方法,经过理论推导和实验验证得到如下近似条件:校正光与信号光的初相位相差πrad情况下,两光束的功率越接近,系统对目标的弱振动振幅响应越大.实验设计的两光束功率相差1%时,观察到了最大146倍的增强效果,该方法在微振动物体高灵敏度测量上具有较大的应用价值,在现有器件指标和相位解调算法不变的基础上可大幅提高外差干涉测量系统的探测能力.

频差偏差对全视场外差测量精度的影响

根据全视场外差测量的相关理论,推导了频差偏差与仪器测量精度的相互关系.分析了频差大小、频差偏差、采集初始时间、初始相位、采样频率和采样周期数等相关参数对测量精度的影响.研究结果可以作为全视场外差测量设备设计、参数选取的理论依据;并给出了通过合理选择采样时间和采样帧数提高测量精度的一种方法.

全视场外差干涉三维测量系统

结构光三维测量技术具有快速、无损接触、重复性好等特点,被广泛应用在模具检测及工程制造中,但传统投影式结构具有离焦模糊的缺点。本文采用全视场外差干涉的原理,使用高精度声光移频外差干涉条纹代替传统光栅投影中的编码条纹,与传统工业相机结合使用便可获取快速的全视场三维数据。根据对系统参数的建模计算,设计加工了外差干涉三维测量仪,联合使用电动平台及棋盘格标定板来获取该系统的相位高度映射模型,最后对标准陶瓷台阶进行了测量。实验结果复现了原物体的三维形貌及高度信息,在30°的观测角下系统的高度分辨率为22 μm,视场内的空间分辨率优于58 μm,测量标准陶瓷平板,高度误差为75 μm。该方法具有检测速度快、体积紧凑、抗环境干扰性强等特点。

全视场外差短相干形貌测量技术

针对工业检测中对微米量级测量精度、秒级测量时间的检测需求,提出了全视场外差短相干形貌测量方案。本方案采用短相干光源,实现大步长测量,节约扫描时间;采用全视场外差技术,实现干涉轮廓的快速反演,在抑制振动、直流噪声对测量精度影响的同时,提高数据反演的效率。搭建了实验验证系统,对测量时间和测量精度进行了实验验证,结果表明,系统的探测时长小于10 s,测量精度优于2μm。后续经进一步优化设计,探测时间可小于5 s,探测精度优于微米量级。该方案具有测量速度较快和测量精度较高等优势,在对效率要求较高的工业检测领域具有一定的应用前景。

激光测振仪中最小均方误差前向预测器的研究

针对激光测振仪中的自适应滤波问题,本文采用最小均方误差前向预测器,仿真分析了振动测量信号的峰值、频率、滤波器阶数和步长系数等参数对最小均方误差前向预测器滤波性能的影响,并搭建实验系统进行了验证。研究结果可以作为最小均方误差前向预测器参数选择的理论依据,为设计适用于激光测振仪自适应滤波器提供技术手段。

拉普拉斯分布下的MMSE谱减语音增强算法

针对基于高斯分布的谱减语音增强算法,增强语音出现噪声残留和语音失真的问题,提出了基于拉普拉斯分布的最小均方误差(MMSE)谱减算法。首先,对原始带噪语音信号进行分帧、加窗处理,并对处理后每帧的信号进行傅里叶变换,得到短时语音的离散傅里叶变换(DFT)系数;然后,通过计算每一帧的对数谱能量及谱平坦度,进行噪声帧检测,更新噪声估计;其次,基于语音DFT系数服从拉普拉斯分布的假设,在最小均方误差准则下,求解最佳谱减系数,使用该系数进行谱减,得到增强信号谱;最后,对增强信号谱进行傅里叶逆变换、组帧,得到增强语音。实验结果表明,使用所提算法增强的语音信噪比(SNR)平均提高了4.3 dB,与过减法相比,有2 dB的提升;在语音质量感知评估(PESQ)得分方面,与过减法相比,所提算法平均得分有10%的提高。该算法有更好的噪声抑制能力和较小的语音失真,在SNR和PESQ评价标准上有较大提升。

宽发射面激光二极管光束整形系统的光学设计

宽发射面激光二极管作为泵浦源在全固态激光器中得到了广泛的应用,但由于快慢轴发散角太大和发光面的不对称,所以需要对其进行光束整形。针对发光面为1μm(快轴)×200μm(慢轴)且远场光斑为矩形光斑的宽发射面激光二极管,分析了输出光束在平行于p-n结方向上光场(侧模)的多光丝分布特性。通过在ZEMAX非序列里,设置合理的光丝间隔、尺寸和以纵模为间隔的多个波长,模拟了与实际相符的远场光斑。利用圆柱透镜压缩激光二极管快轴发散角,再用自聚焦透镜进行聚焦,最后在离自聚焦透镜后端面1.8 mm处得到快慢轴方向长分别为0.15 mm×0.17 mm的方形光斑,且快慢轴方向发散角分别为3.3°×2.4°。同时,通过实验逐步比较了光束通过每一个光学元件后光斑形状的变化和光强分布,结果表明:宽发射面激光二极管光束整形中,通过引入侧模光丝结构的矩形光斑模拟方法是可行的。

激光多普勒测振啁啾噪声分析及其抑制方法

根据外差激光多普勒测振过程的物理原理,分析了其在目标存在低频高速运动情况下测量高频低速振动的过程。在这一过程中,因杂散光而产生的测量噪声表现出啁啾特性,该研究还阐明了这种噪声的影响和表现形式、特点。针对此啁啾噪声,提出了一种微分预处理解调方法,理论分析表明这种解调方法有明显的啁啾噪声抑制效果,并进一步进行了仿真和实验验证。搭建了存在杂散光的外差激光多普勒测振系统,对目标振动进行了测量,分别通过常规解调方法和微分预处理解调方法进行解调,实验结果验证了啁啾噪声的存在和微分预处理解调方法抑制啁啾噪声的有效性,该方法可使啁啾噪声功率下降约81.8%,可有效降低杂散光对测量结果的影响。

外差波前检测仪检测精度影响分析

外差波前检测仪主要用于检测空间光与光纤耦合的环形器耦合效率以及装调过程,其具有检测精度高、环境适应性好等优点。基于其检测原理,分析声光移频器固定频率偏差、声光移频器随机频率偏差、探测器固定帧频偏差和探测器散粒噪声对检测精度的影响,单一因素引起的检测波前PV(Peak to valley)值变化在10-3λ量级。实验验证了仿真分析的有效性,系统的综合精密度优于0.01λ。研究结果为研制外差波前检测仪提供理论支撑。

三维显微测振中离轴光路机械形变对耦合效率的影响

三维显微测振仪可用于测量微结构的三维振动,其两条离轴光路用于接收包含面内振动信息的信号光,系统的机械形变会直接影响光纤的耦合效率,从而影响系统的测振精度。结合衍射传播理论和光纤耦合原理,建立了离轴光路的信号光传输耦合模型,针对信号光平面与光纤平面存在倾角的问题,利用频域坐标旋转变换法将倾斜的物面信号光场投影到平行的参考平面上,再基于菲涅耳衍射传播计算得到光纤平面的光场分布,进而结合光纤的模场分布可计算得到光纤耦合效率。研究了耦合透镜、光纤等元件的机械形变对光纤耦合效率的影响,阐明了光纤耦合效率和各个机械变形量的关系,为三维激光多普勒显微测振系统的设计和装调工作提供了理论指导。

傅里叶望远镜中激光频移误差对成像质量影响的分析

傅里叶望远镜成像技术,综合了激光主动成像技术、光学合成孔径技术和相位闭合技术是一种新的高分辨率成像探测技术。激光频移的效果是影响傅里叶望远镜成像质量的重要因素,特别是使用大功率、宽光束和宽调制带宽激光的系统。构建了不同的误差模型,推导了频移误差在系统中的传递函数,利用仿真实验分析其对系统成像的影响,得到了对应的误差影响分析。结果表明,频移精度和稳定度严重影响到系统的成像效果,部分情况下含有误差的反演图像与理论反演图像的施特雷尔值已降到0.2,因此合理的设计和选择声光频移器是改善系统成像的一个关键因素。

多光束傅里叶望远镜的移频设计

多光束傅里叶望远镜(MFT)对运动的深空暗目标快速成像有着独特的优势,但光学、电学、机械、软件等未突破的关键技术制约着其发展。根据傅里叶望远镜的成像原理和戈洛姆法则(Golomb ruler),分析选取了多光束成像下每束光的移频量,并设计了符合系统要求的声光移频器。结果表明,采用Golomb ruler时,31束光系统下的最大相对移频量为7.47MHz,设计的声光移频器通光孔径为8mm,全频带下最低衍射效率为0.9021,各指标都能满足系统需求。因此,多光束傅里叶望远镜的移频技术可行。

全视场外差长腔干涉测量技术

提出了一种适用于长焦光学镜片面形测量的新型激光干涉仪。利用全视场外差移相技术能有效抑制振动和大气等环境因素对长腔干涉测量的影响,采用Twyman-Green干涉仪结构,实现测量波面和参考波面的外差相干测量。搭建了实验验证系统,实验证明该方案能较好地抑制外界振动和大气湍流对测量精度的影响,实现了较高精度的长腔干涉测量,仪器的RMS(Root Mean Square)重复测量精度达到0.45‰λ。该技术可以作为长腔干涉测量的可选方案之一。

相干场成像技术分辨率研究

根据光学传递函数的相关理论,推导了相干场成像技术(又称傅里叶望远镜)的光学传递函数和点扩散函数,给出了T型、O型两种发射镜阵列布局相干场成像系统的分辨率计算公式,为分析相干场成像系统能实现的极限角分辨率提供了理论依据.在此基础上研究了T型、O型两种发射镜阵列布局相干场成像系统的分辨率之间的关系.

一种基于GS相位恢复算法的全息多平面显示的改进算法（英文）

Gerchberg-Saxton(GS)相位恢复算法被广泛用在多平面全息显示中,但是大部分平面的相关度很低。研究者们提出了一种补偿的方法,然而它并不有效。本文将这种补偿方法称作强补偿方法,并提出了一种基于弱补偿概念的方法。这个算法的核心是引进相应的权重因子改变进入算法的信息量从而实现弱补偿。数值模拟结果显示,同原始GS相位恢复三维算法相比,用这种算法各平面相关度的平均值和差值可以至少改善59.82%和97.03%。

基于频谱校正的双声光调制器频差检测

为了对双声光调制器(AOM)的频差进行高精度检测,设计了一种基于频谱校正的外差干涉检测方法及实验系统。通过测量外差干涉信号的频率,获得双AOM的实际频差大小。信号频率的精确提取采用加Hanning窗的比值频谱校正法。仿真分析了利用不同信噪比信号对频差的检测精度与采样点数的关系,并设计搭建实验系统对一组双AOM的频差进行检测,结果表明,所采用的算法对双AOM频差的检测精度优于2 Hz。该检测方法可以为高精度外差测量系统的误差分析提供有效参考。

相干场成像技术接收镜精度对传递函数的影响

根据相干场成像技术(又称傅里叶望远镜)接收镜的特点,研究了接收镜偏差对相干场成像技术光学传递函数的影响,推导了光学传递函数与接收光路光程均方差的关系式.该式表明相干场成像技术的光学传递函数是接收光路光程均方差与频差乘积的平方的负指数函数.为确定接收系统精度提供了理论依据.

环形器噪声对激光干涉测量系统影响分析

本文提出一种光学环形器噪声评价指标,介绍激光外差干涉原理。通过建立典型环形器在激光干涉系统位移测量中的噪声传递模型并结合环形器的噪声来源,分析和论证环形器非线性误差系数与杂散光相位对系统位移测量误差的影响,提出以环形器方向性为环形器噪声评价指标的误差评价方法,通过数值仿真验证其适用性。针对环形器噪声的主要来源,基于理论分析模型设计并研制一种点衍射空间光环形器。搭建验证系统并与商用典型环形器进行对比,点衍射空间光环形器方向性达到129 dB,较商用典型环形器提高66 dB,实现较高精度的目标位移测量。