光谱干涉及其在非透明样品厚度测量中的应用

针对金属带材等非透明样品厚度的高精度原位测量问题,本文基于光谱干涉绝对距离测量的基本原理,提出了一种结构紧凑、全光纤的非透明样品厚度非接触式差分测量方法.首先介绍了光谱干涉的基本原理及绝对距离测量的具体实现,然后设计、搭建了一套全光纤差分光谱干涉测量非透明样品厚度的原理验证光路,并开展了原理验证实验,实现了标准量块厚度的高精度测量,最后对该方法的测量误差进行了分析,分析结果表明,采用该方法可以达到亚微米级的厚度测量精度.

基于光谱干涉椭偏法的薄膜厚度测量

薄膜厚度的测量在芯片制造和集成电路等领域中发挥着重要作用。椭偏法具备高测量精度的优点,利用宽谱测量方式可得到全光谱的椭偏参数,实现纳米级薄膜的厚度测量。为解决半导体领域常见的透明硅基底上薄膜厚度测量的问题并消除硅层的叠加信号,本文通过偏振分离式光谱干涉椭偏系统,搭建马赫曾德实验光路,实现了近红外波段硅基底上膜厚的测量,以100 nm厚度的二氧化硅薄膜为样品,实现了纳米级的测量精度。本文所提出的测量方法适用于透明或非透明基底的薄膜厚度测量,避免了检测过程的矫正步骤或光源更换,可应用于化学气相沉积、分子束外延等薄膜制备工艺和技术的成品的高精度检测。

基于宽光谱干涉系统的拼接主镜共相位检测技术

针对拼接式大口径望远镜主镜,提出一种基于迈克尔逊干涉原理基础上的宽带光谱(白光)干涉检测方法,对拼接子镜间相位误差进行实时检测,进而对失调子镜进行相应校正,以实现拼接子镜的共面排布。子镜间相位误差通过干涉图形间的不匹配性进行提取。应用双中心波长组合白光源来提高白光中心条纹的可见度,通过理论仿真,对不同中心波长组合的白光中心条纹可见度进行比较,结果表明:该双中心波长组合白光源系统的应用,可以提高白光干涉中心条纹的信号分辨能力,借以提高检测精度,使得该白光干涉检测系统对拼接子镜间的相位失调误差进行高精度提取。

一种甚高光谱干涉仪数据采集系统设计

针对大气环境探测甚高光谱干涉仪输出信号的特点,提出了一种基于双ADC数据采集系统设计方案。采用数据合成的方式对两个具有同输入不同增益通道的数据进行拼接,使用相对较低分辨率ADC实现了高分辨率系统设计,并对数据合成过程中两通道的不一致性进行了分析、测量和校正。最终给出了系统的电路设计方案和实验结果。实验表明:系统在保证采样速率的情况下,能够实现高分辨率采样,并具有良好的信噪比。

时间-频率联合分析消除太赫兹光谱干涉

基于Fourier变换的传统太赫兹时域光谱分析技术从不同长度的太赫兹信号中产生了不一致的光谱结果,增加太赫兹时域采样长度又会造成光谱的干涉,不利于太赫兹光谱测量的研究和应用。应用小波变换方法对太赫兹波谱作时间—频率联合分析,将不同时刻的太赫兹波谱展开到二维的时间-频率平面,消除了光谱分析的不一致性和光谱干涉的影响。

一种基于电光调制光频梳光谱干涉的绝对测距方法

提出了一种基于电光调制光学频率梳的光谱干涉测距方法.理论分析了电光调制光学频率梳的数学模型和光谱扩展原理,并分析得出了光谱干涉测距方法的非模糊范围和分辨力的影响因素.在实验中,使用三只级联的电光相位调制器调制单频连续波激光生成了40多阶高功率梳齿状边带,并通过单模光纤和高非线性光纤对电光调制器输出的激光进行光谱扩展,得到重复频率为10 GHz,光谱宽度达30 nm的光学频率梳.将该光频梳作为光谱干涉测距装置的光源,可以实现无"死区"的绝对距离测量.另外,使用等频率间隔重采样和二次方程脉冲峰值拟合算法对测量结果进行数据处理,可以修正系统误差,提升测距精度.实验结果表明,在1 m的测量范围内,使用该装置可以在任意位置达到±15μm以内的绝对测距精度.

红外高光谱干涉仪辐射定标误差敏感性因子的仿真分析

鉴于对高精度高时空分辨率大气探测资料日益增长的科研和业务需求,我国正大力发展星载红外高光谱探测系统。星载红外高光谱干涉仪光机结构复杂,仪器状态会显著影响其定标精度。本文通过理论分析和仿真实验,分别讨论了内黑体发射率、低温黑体发射率、内黑体与环境温度差、非线性系数以及直流电压演算等误差敏感性因子影响辐射定标精度的特征。分析表明定标辐射偏差的绝对值与内黑体/低温黑体发射率呈线性关系,且与内黑体与环境温度差、非线性系数、直流电压呈正相关;提高内黑体发射率和低温黑体发射率到0.985以上、控制内黑体与环境温度差在0.6 K左右、控制干涉仪的非线性效应系数低于0.04,这些方案均是实现0.1 K辐射定标精度的必要条件;辐射定标参数对定标辐射的影响特征结合地面真空实验的定标参数估计,可以迭代得到已测得和未知的定标参数的最优估计,从而提高定标精度。本文的研究结果对于红外高光谱干涉仪的参数设计以及辐射定标误差来源的识别和订正有着十分重要的意义。

基于光谱干涉技术的玻璃厚度及折射率测量方法

基于光谱干涉技术提出了一种能够同时测量玻璃厚度及折射率的方法,该方法利用迈克尔逊光路,通过傅里叶变换算法对光谱仪接收的干涉信号进行解算,获取光谱干涉条纹的调制周期,根据待测玻璃样品放入测量臂前后,测量臂与参考臂所形成的光程差即可求出玻璃样品的几何厚度和折射率。该方法无需机械扫描延迟线并采用改进的傅里叶域下的相位提取算法,提高了测量系统抗干扰能力,探测速度快。实验结果表明:对玻璃样品的厚度测量精度优于±1μm,折射率测量精度±5×10^-4。

基于相位展开及拼接算法的一种高精度大量程宽光谱干涉显微术

宽光谱干涉显微术广泛应用于高精密检测领域,它测量样品形貌通常采用垂直扫描干涉术对亚微米至毫米级特征进行测量,以及相移干涉术对纳米级特征进行测量。其中,相移干涉术精度可达纳米级,但量程有限,高度变化对应的相位需限制在区间内。采用包裹相位展开算法可以扩展相移干涉术的量程,也仅适用于平滑表面,当高度起伏超出焦深或者光源相干长度的限定范围时,干涉条纹模糊或对比度丧失,所解算的结果将产生较大误差甚至错误。提出一种基于相位展开及拼接算法的高精度、大量程宽光谱干涉显微测量方法,以干涉条纹调制度量化条纹质量,条纹对比度高、成像清晰的区域对应调制度较高,定义当前焦面条纹调制度高于阈值的区域为理想区域,定义焦面条纹调制度低于阈值的区域为问题区域。以相位展开算法获得理想区域中的样品相位分布,问题区域的包裹相位不进行展开。使用微位移结构纵向移动物镜焦平面,选择合理的步长,使相邻焦面位置理想区域展开后的真实相位保持部分区域重合,根据重合区域的相位值均差可以实现不同焦面位置的高精度相位拼接,最终获得扩展量程的高精度真实相位结果,进而可以恢复样品完整的表面形貌分布。该算法通过对理想区域的筛选,避免了相位在问题区域展开带来的误差,可以得到精确的测量结果。通过模拟计算和实验验证,证明了该方法不仅保持了宽光谱干涉显微术中相移干涉术的纳米级高精度,还可将其量程从数百纳米拓展到数微米。而且,该方法精度不依赖于位移部件,理论上量程可以拓展到显微物镜的全工作距离。

基于光学频率梳光谱干涉实现水的群折射率测量

基于光学频率梳的光谱干涉,本文提出了一种水的群折射率的测量方法,可以高精度地测量水的群折射率;分析了水的群折射率的测量原理;搭建了基于518 nm光学频率梳的实验装置,进行了群折射率的测量实验;实验结果表明,本文提出的测量方法可以实现水的群折射率的高精度测量;与参考值比对的结果表明,测量不确定度在10^-5量级。

近红外光谱干涉仪高精度运动控制器设计

介绍一种以DSP TM320VC5402为核心的近红外光谱干涉仪中的音圈电机数字闭环控制方法。采用增量式数字PID控制策略,实现音圈电机匀速运动控制。该系统通过实验验证,达到速度偏差为满量程小于0.5%的控制精度要求,能够满足近红外光谱干涉仪动镜的精确匀速运动控制要求。

光学频率梳基于光谱干涉实现绝对距离测量

详细分析了光学频率梳光谱干涉的原理,建立了较全面的光谱干涉的数学模型,为实现绝对距离测量提供理论分析基础.基于光谱干涉,指出通过光谱干涉条纹的振荡频率,即一次傅里叶变换,可以实现绝对距离测量,数值模拟结果表明,最大测量误差为1.5 nm;提出了一种等效的多波长并行零差干涉的方法,分析了多波长并行零差干涉法的测距原理.数值模拟结果表明,多波长并行零差干涉法的最大误差为8.7 nm;通过脉冲啁啾实现绝对测距,分析了基于脉冲啁啾实现绝对测距的原理,数值模拟结果表明,最大测距误差为5.3 nm.

用于宽光谱干涉型光纤传感器的通道截取光谱法的研究

中心条纹不易分辨是宽光谱干涉仪应用的一大难点。提出的通道截取光谱法在对光程差进行测量时不需要分辨中心条纹,而且具有测量范围大,精度高,速度快等优点。从理论上对通道截取光谱法进行了分析,实验表明,采用通道截取光谱法可实现测量的范围2mm分辨率10nm。

自参考光谱干涉技术原理及应用

在啁啾脉冲放大飞秒激光系统中,为了获得近傅里叶变换极限的超短飞秒脉冲输出,需要对飞秒脉冲的光谱相位进行测量并消除未被补偿的残留啁啾。而光谱干涉仪因为其线性性、结构简单和灵敏度高等优点在飞秒脉冲光谱相位测量方面具有重要应用。介绍了基于交叉偏振波或自衍射效应的自参考光谱干涉技术,详细论述了该技术的工作原理。特别地以高斯光谱入射脉冲为例,对待测脉冲的光谱相位重构进行了详细的数值模拟,并指出基于交叉偏振波及自衍射效应的自参考光谱干涉技术对线性啁啾的测量范围。最后简单介绍利用光谱干涉仪和声光可编程色散滤波器相结合,用以消除飞秒激光脉冲中光谱相位残留啁啾的原理,实验中通过2次反馈迭代就获得了近傅里叶变换极限的飞秒脉冲输出。

基于全光纤光谱干涉的多路超短脉冲时间同步单次测量技术

提出一种基于全光纤光谱干涉的多路超短脉冲大动态范围时间同步单次测量方法,弥补了非线性相关法测量同步状态时测量范围小和示波器测量时分辨率差的不足,解决了同步测量中空间光路的复杂性和单次实时测量的难题。首先对多路光纤阵列干涉测量进行仿真计算,然后设计四路脉冲传输的光路并在实验中验证多路同步单次测量方法的可行性,最后详细分析测量误差的来源和影响。该测量方法的最小同步时间精度为5.3fs,测量范围为1.055~14.751 ps,与仿真结果有较好的一致性。该测量方法具有光纤链路易于集成、光谱干涉数据处理速度快、测量信号能量需求低等优势,在多路超短脉冲激光相干合束系统中有重要应用前景。

Dense-1D-U-Net:用于自参考光谱干涉飞秒脉冲相位测量

超快激光脉冲形状宽度测量的核心是光谱相位的精确测量。本文提出了一种结合深度学习的自参考光谱干涉(SRSI)方法,并用该方法进行了飞秒脉冲相位的测量。该方法基于针对一维信号的Dense-1D-U-Net神经网络,采用经典的编码-解码网络结构并加入稠密连接和跳跃连接来提高网络的性能。结合SRSI法的特点,本文设计出结合了稠密连接块的Dense-1D-U-Net神经网络。基于大量接近真实光谱相位的模拟光谱相位数据可以发现,基于Dense-1D-U-Net的SRSI算法的计算结果的均方根误差相比传统SRSI算法至少降低一个数量级。与有无稠密连接、跳跃连接的对照组神经网络进行对比,分析了Dense-1D-U-Net的优势。最后用实验测量数据验证了使用模拟数据训练的Dense-1D-U-Net具有计算实验数据的能力。Dense-1D-U-Net神经网络未来可以拓展应用到超快光谱等其他一维信息研究领域。

高速转镜干涉成像光谱仪

介绍一种高速转镜干涉光谱仪原理,提出一种基于该原理的干涉成像光谱仪,该成像光谱仪有较大视场角,提高了扫描效率,特点是用带有倾角平面反射镜转动代替传统Michelson干涉成像光谱仪动镜的直线运动,解决了Michelson干涉成像光谱仪扫描效率低和不稳定的难题.

反射干涉光谱法测量固体薄膜的光学常数和厚度

本文报道一种简单的方法 ,从平面介质薄膜的反射干涉光谱来计算薄膜的光学常数和厚度。当一束光照射在基板上的介质膜上时 ,由于膜上下界面反射光的相干 ,会使反射光谱的曲线有一定的波动。我们对反射相干光谱进行理论分析 ,给出计算公式 ,从测量曲线中的实验值得出薄膜的光学常数 n、k以及厚度等参数。此种方法简单可行 ,而且易于编程处理。

遥感干涉超光谱图像压缩编码

基于卫星干涉超光谱成像光谱仪成像原理的分析,提出了一种新的遥感超光谱图像压缩方案,利用成像推扫平移特性提出一种低存储量,帧间小波域匹配的序列压缩,只需存储两帧图像,比起单帧处理提高图像PSNR3 4dB 为了保护图像的光谱特征,系统采用了一种新的感兴趣区域(Regionofinterest, ROI)编码技术,使系统的压缩比提高8倍以上 该感兴趣区域(ROI)编码采用率失真优化斜率提升,而不是比特平面移位,使图像在相同的光谱分辨率下拥有更好的空间分辨率 试验数据表明,算法大大保护了图像的光谱特性,在8倍压缩比情况时。