Measurement of high-dynamic temperature field using high-speed quadriwave lateral shearing interferometer

An approach to measure a high-dynamic two-dimensional(2 D) temperature field using a high-speed quadriwave lateral shearing interferometer(QWLSI) is proposed. The detailed theoretical derivation to express the wavefront reconstruct principle of the proposed method is presented. The comparison experiment with thermocouples shows that the temperature field measurement using QWLSI has a precision of ±0.5 °C. An experiment for measuring the highdynamic temperature field generated by an electrical heater is carried out. A 200 frame rate temperature field video with 512 × 512 resolution is obtained finally. Experimental results show that the temperature field measurement system using a QWLSI has the advantage of high sensitivity and high resolution.

红外高通量干涉成像光谱仪的设计与验证

介绍了静态高通量干涉成像光谱技术的原理，针对红外波段目标辐射能低、系统易受自身辐射影响等特点，提出了基于分体式Sagnac干涉仪的红外高通量干涉成像光谱仪方案。分析了Sagnac干涉仪的设计方法，特别是分光镜对光线的偏折作用引起的横向剪切量和光线的折射光程不同带来的附加光程差。根据采样定理，计算了成像光谱系统对探测器和后置成像系统的要求。使用长波热像仪（光谱范围7．7～9．3μm）搭建了实验装置，实验结果表明，这种成像光谱系统能够准确测量出样品的光谱．验证了该方案的原理和设计。

大孔径静态干涉成象光谱仪中横向剪切干涉仪的空间光线分析

介绍基于横向剪切干涉仪的大孔径静态干涉成象光谱仪的原理，用坐标变换和矢量分析的方法计算空闪光线的光程差，通过计算机仿真归纳出横向剪切干涉仪空间光线光程差的一般表达式．

卫星姿态抖动对LASIS成像质量的影响

由于卫星姿态抖动(俯仰、侧滚和偏航)使得LASIS(大孔径静态干涉成像光谱仪)干涉图产 生了非正常的像素偏移量,相邻干涉图之间的非正常偏移量在0.1像素量级或更小,但累积偏移量最多可达上百个像素,必须对干涉图进行校正处理。研究结论为设计正确有效的LASIS图像校正算法提供了参考依据,同时也为卫星平台设计提供了参考。

剪切干涉仪与哈特曼波前传感器的波前复原比较

对横向剪切干涉仪和哈特曼波前传感器的波前探测和复原进行了类比推导和仿真计算。结果表明 ,在相同输入波前、相同探测面元、相同拟合函数及阶数的情况下 ,横向剪切干涉仪的波前复原能力比哈特曼波前传感器强。主要原因是前者对波前的间接采样所包含的波前信息大于后者 ,并且前者比较容易增大对波前的采样。

一种光谱分辨率可调的新型空间调制傅里叶变换光谱仪

调整光谱仪的光谱分辨率,可使光谱仪在满足不同目标测量需求的同时,减少数据采集、处理和存储的时间,提高仪器的整体性能。为克服传统傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率固定的缺点,提出了一种分辨率可调的空间调制傅里叶变换光谱仪。介绍了该新型光谱仪及其干涉仪的工作原理,利用光线追迹的方法推导了光程差和横向剪切量的计算公式,并分析了新型干涉仪的光程等效模型。在此基础上,分析了光谱分辨率的调节原理。结果表明,该光谱分辨率可调的新型空间调制傅里叶变换光谱仪克服了传统光谱仪分辨率固定、稳定性差等缺点,具有分辨率可调、高稳定性、结构灵活和易于装调等特点。该研究内容为分辨率可调的干涉光谱仪的设计提供了理论基础,扩展了傅里叶变换光谱仪的实用范围。

大孔径静态干涉成像光谱仪中双通道Mach-Zehnder横向剪切干涉仪的设计

大孔径静态干涉成像光谱技术是一种时空联合调制的傅里叶变换成像光谱技术,其核心元件通常采用Sagnac横向剪切干涉仪。这种结构会使进入干涉仪的光线有一半沿原路返回,降低了能量利用率。文章提出一种改进型Mach-Zehnder横向剪切干涉仪结构,克服了能量利用率低的缺点,在实现横向剪切的同时,还具有双通道输出的优点。本文通过光线追迹的方法,得到剪切量的一般表达式,并分析了各种误差源对剪切量误差的贡献。为大孔径静态干涉成像光谱仪的设计提供了新思路,可为该类型的成像光谱仪的设计与优化提供理论指导。

Sagnac干涉仪的几何参量计算

根据空间调制干涉成像光谱仪对视场的要求和小型化目标,通过对分体型Sagnac干涉仪的结构与光路进行分析,研究了Sagnac干涉仪的几何参量与入射光线视场角和孔径之间的关系.推导出满足视场要求的最优化几何参量以及满足横向剪切要求的几何参量修正量,并将其推广到实体型Sagnac干涉仪中,用于指导干涉成像光谱仪的结构设计与优化.

九步相移抗串扰算法的相移误差分析

在横向剪切干涉仪中,使用一种9步相移算法来消除零级衍射光对干涉信号的影响。为了分析相移误差对该9步相移算法相位复原精度的影响,本文通过建立理论模型,推导近似的相位复原误差函数,分析了相位复原误差与相移误差的关系的特性,结果表明这种算法的相位复原误差随着相位角的变化成正弦变化,并且该算法对相移误差不敏感,具有很强的适应性。同时这种9步数相移剪切干涉算法的相位复原误差函数存在两个奇点,相移误差接近奇点时,相位复原误差迅速增大。通过分析奇点位置,对控制相移误差和提高相位复原精度具有指导作用。

利用剪切干涉仪测量激光大气传输相位畸变

文中就利用剪切干涉仪测量激光大气传输相位畸变的问题进行了探讨．对横向剪切干涉仪（ＬＳＩ）及Ｈａｒｔｍａｎｎ波前传感器的波前探测和复原进行了类比仿真分析，结果表明在同等条件下，前者的波前复原能力优于后者．利用我们研制的二维剪切干涉仪，对激光大气传输湍流效应引起的波前畸变进行了测量，对实验结果进行了初步的研究分析，并首次得到了激光大气传输相位不连续性的直接测量结果，验证了ＬＳＩ应用于测量激光大气传输相位畸变的可行性和优越性．

新式横向剪切干涉系统对天然气管道泄漏野外监测的研究

针对机械扫描式光谱分析设备抗震、抗干扰能力差等问题影响其在野外检测天然气管道泄露的精确度,设计了一种新式的抗震型横向剪切干涉系统。将分束镜作为机械扫描部分产生光程差,通过两个分束镜之间的连杆将引入的外部震动、干扰等相互抵消。计算了产生干涉条纹的干涉强度,分析了旋转分束镜对应角度的光程差函数,并求解了正向旋转和逆向旋转的最大角度,即可调节的最大光程范围。实验采用天然气罐放气模拟天然气管道泄露过程,在有干扰的条件下对本系统和WQF530型光谱仪的测试数据进行对比。实验结果显示,在室内没干扰的条件下,两者相对误差都在1%左右。但在有干扰的实际环境中,WQF530型光谱仪误差明显变大,均超过10%,而本系统的误差在5%以下。所以,本系统具有有效降低由于外部干扰造成的检测误差,比传统机械扫描式干涉设备更适用于野外探测。

一种抗震型横向剪切干涉仪的设计

针对机械扫描式光谱分析设备抗震、抗干扰能力差等问题,设计了抗震型横向剪切干涉系统,将分束镜作为机械扫描部分产生光程差,通过两个分束镜之间的连杆将引入的外部震动、干扰等相互抵消.计算了产生干涉条纹的干涉强度,分析了旋转分束镜对应角度的光程差函数,并求解了顺时针与逆时针对应的最大旋转角度.实验分别在3种条件下进行,采用850 nm激光器,对比此光学系统与传统迈克尔逊干涉仪的抗干扰能力,实验结果再与WQF530型光谱分析仪进行比较.实验结果显示:在防震平台上,两者的测试值都接近标准值;但当无防震设备时,系统的抗震设计可以有效抵消外部干扰造成的功率偏差及半宽增大,比传统迈克尔逊干涉仪测得的激光半宽精确提高一倍以上.

新式横向剪切干涉系统的光谱分析算法及其软件实现

针对传统机械结构的光谱分析仪在野外工作时受环境影响大,检测稳定性低的问题,根据数据采集及光谱分析的特点,该系统通过横向剪切的工作模式采用相应的光谱分析软件及其震动误差消除算法,并通过VC编写了可用于气体浓度检测的光谱分析软件.对标准浓度的甲烷气体进行实验,并与WQF530型光谱仪的测试数据对比.实验结果表明,在静态工作环境下,该光谱分析软件由光谱数据反演得到的气体浓度与WQF530型光谱仪的测量误差都在0.50%左右,而在有震动干扰下,该系统的测量精度明显高于WQF530型光谱仪,该系统的光谱分析算法及软件可稳定工作.

平行平板横向剪切干涉仪装调误差的矫正方法研究

对平行平板双光路横向剪切干涉仪的装调进行了研究,提出了一种矫正两个平行平板之间角度误差的方法.输出激光的波前采用Zernike多项式拟合,经过理论推导,发现两个方向差分波前求解出的倾斜像散之差与平行平板的角度误差存在线性关系,利用两个方向倾斜像散之差来矫正两个平行平板之间的角度误差.在平行平板横向剪切干涉仪的装调过程中使两个方向差分波前的倾斜像散之差为零即可以使两个方向的平行平板之间的角度误差值为零.进一步地从实验上证明了这个线性关系,对于所用的实验系统,当离焦像差为-3.224 7±0.001 8,两个方向差分波前的倾斜像散之差波动范围为±2.0×10^-3时,平行平板的角度误差可以控制在8.82″之内,高阶像差对平行平板的角度误差调节精度的影响约为1.63″.该方法具有装调简单、精确度高,易于流程化操作的优点.

基于Sagnac干涉仪的涡旋光制备方法

为了制备高质量涡旋光,对基于Sagnac干涉仪的涡旋光制备方法进行了理论分析、改进设计和实验验证.介绍了高斯光束叠加和附加相位差π产生的原理,在分析干涉回路对横向剪切量影响的基础上,搭建了基于Sagnac干涉仪的涡旋光制备装置,给出了搭建实验平台的相关注意事项,并利用本方法分别制备出拓扑荷数为+1、-1的涡旋光.涡旋光在不同传播距离下拓扑荷数始终保持为+1或-1.基于光斑可调的改进实验装置可有效提高涡旋光质量.

相移雅满横向剪切干涉仪

雅满横向剪切干涉仪是一种很重要的波面枪测仪器,特别是可以对白光的波面进行检测。为了弥补传统雅满横向剪切十涉仪的不足,提出了一种相移雅满横向剪切十涉仪。它是在雅满横向剪切干涉光路中插入起偏器,1/4波片和检偏器所形成,实现了剪切干涉与相移的结合,能有效地提高测量精度,可适用于白光的波面检测,结构简单且操作方便。实验中通过旋转检偏器获得了相移下涉图,其结果很好地验证了该相移雅满横向剪切十涉仪的有效性。

光栅横向剪切干涉仪及其系统误差分析

在分析光栅横向剪切干涉仪典型结构及系统参数配置,给出其适用范围的基础上,系统研究了该干涉仪结构最显著的系统误差:几何光程误差和探测器倾斜误差。采用Zernike多项式给出波前重建前后系统误差项的解析表达式;对其大小与被测数值孔径(NA)、衍射光会聚点间距d、剪切率s之间的关系进行了定量分析。几何光程彗差和像散、探测器倾斜像散和离焦是剪切干涉差分波前中最主要的误差项,波前重建后主要导致几何光程球差和彗差,探测器倾斜彗差。重建波前误差随着NA、d的增加而迅速增大,随着s的减小而增大。特别是小剪切(s≤0.05)时,波前重建对系统误差有增益效应,重建波前的系统误差值远大于差分波前。小剪切情况下,当d>2μm、NA>0.1时,重建波前误差的均方根值远大于1nm。

可用于小口径光束波前检测的横向剪切干涉仪

提出了一种可用于小口径光束波面检测的横向剪切干涉仪。该干涉仪由偏振分光棱镜、光轴与其表面平行的晶体平板、1/4波片、反射镜及CCD构成。被测光束由偏振分光棱镜进行透射起偏和反射检偏,利用反射镜的反射两次经过晶体平板、1/4波片来实现剪切光束的等光程干涉。通过晶体平板剪切复制波面以获得小的剪切量,可用于小口径光束波面的检测。晶体平板的旋转可以改变剪切量,实现了不同口径不同波前的光束波面检测。对该干涉仪进行了仿真分析,得到了不同入射角情况下的剪切干涉图,仿真结果与理论分析结果相一致。实验中,旋转晶体平板得到的剪切干涉图与仿真结果相一致,很好地验证了该剪切干涉仪的有效性。

十三步光栅横向剪切干涉相位复原算法

光栅横向剪切干涉仪能够实现超高精度检测光学系统的波像差,是当前光刻镜头研发的重要组成内容之一。零级串扰和相移误差是影响光栅剪切干涉仪检测精度的两个主要因素,为此,提出了一种十三步光栅剪切干涉相位复原算法,在消除零级串扰的同时,还能够极大地降低对相移误差的苛刻要求。分析表明,当相移误差不大于25°时,相位复原误差小于0.01°(即2.8×10-5λ)。对于λ=193.386nm,相位复原误差小于0.005nm。因此,通过系统误差校正,光栅剪切干涉仪检测光刻镜头系统波像差的精度能够达到亚纳米级。

孔径分布对横向剪切干涉仪波前复原的影响

通过引入波面的二阶导数对传统的最小二乘法(LSM)进行了改进;利用改进后的LSM分别分析了单个方向和相互正交两个方向的横向剪切数据,并将改进后的LSM与网格点法和积分法复原波前的空间特性进行了比较;利用相互正交两个方向的横向剪切数据分别分析了环形孔径和复杂孔径横向剪切干涉仪(LSI)波前复原的频率响应和空间分布特性,并进行了仿真验证。证实了对于任意形状的光阑,利用改进的LSM可以从相互正交的两个方向的剪切干涉图中提取对应光阑部分的相位。