塞曼激光外差干涉仪的非线性分析及校正

Ｈｅ－Ｎｅ激光器施加纵向磁场或横向磁场构成的纵向塞曼激光器和横向塞曼激光器，是激光外差干涉仪最常用的光源．外差干涉仪原理表明，干涉仪所测位移和仪器测得的光电信号的相位变化，是线性关系．而实际上由于光源和光学系统难于达到理想状态，使二者之间产生了周期性非线性，导致纳米、亚纳米测量难以实现．本文分析了引起非线性的原因及其特性，提出了校正和减小非线性的方法，并证实了其有效性．

共光路空间外差干涉仪理论与性能分析

介绍一种利用一块光栅兼作分束器和色散器的Ｓａｇｎａｃ 型空间外差干涉仪的基本结构和原理，利用光波传播角谱理论详细分析给出此干涉仪形成的干涉图样和条纹定域位置。作为无动镜傅里叶光谱仪的干涉分光系统，阐明分光原理，给出理论仪器函数、光谱分辨极限和分辨本领、工作光谱范围、及光通量和视场等性能。指出它兼有传统傅里叶变换光谱仪和光学多通道分析仪（ＯＭＡ）的优点。

外差干涉仪中光路调整的分析

分析了共光路外差干涉仪光路中几个组成元件的调整方法 ,包括入射光位置的调整、渥拉斯顿棱镜位置的调整、被测表面位置的调整等。

用激光外差干涉仪探测金属表面超声振动的实验设计

将激光外差法测量的科研成果转化为物理专业实验 ,设计了易于调节的激光外差干涉系统 ,实现了外差信号的接收 .用压电超声装置代替激光超声装置 ,使实验系统小型化 .

激光外差干涉仪设计与实验研究

将现代光学实验引入本科物理实验课程中有助于学生了解光学及科技应用的最新发展状况。外差干涉方法是精密测量微小位移的重要方法之一。以常用的光学实验仪器、光学元件和调整架等设备,给出了一种空间式的激光外差干涉实验设计方案,并自主搭建实验装置,用于大学物理实验的教学与研究。

探测激光超声用的激光外差干涉仪

述了用外差干涉法探测固体表面激光超声的原理和实验结果，讨论了信号光、参考光的准直角对信噪比Ｓ／Ｎ的影响和信号光在分束器上的入射角对外差信号强度的影响。理论和实验结果表明：当选择人射角时，可以得到约２倍的外差信号强度。为提高检测信号的强度，提出并讨论了外差干涉的共轭输出法。

多普勒非对称空间外差干涉仪调制度分析

多普勒非对称空间外差光谱仪是近年得以迅速发展的新型中高层大气风场探测仪器,具有视场展宽、大光通量、高光谱分辨和多谱线同时探测等特点。该仪器的干涉调制度是影响风场反演精度的关键指标。文章基于非对称空间外差光谱技术基本原理,推导了干涉仪视场展宽前后的干涉理论积分公式,分析了干涉调制度与仪器视场角、最优光程差的关系,通过对干涉方程中像元采样积分推导得到干涉调制度与采样间隔的理论形式,仿真了干涉调制度与仪器视场角、最优光程差和采样间隔的定量关系曲线,并通过实验室搭建试验装置对分析结果进行验证。研究结果表明:随着非对称空间外差干涉仪视场角和光程差偏置量的增加,干涉调制度降低;调制度沿着波数增大的方向上升,在同一波数处,随着采样间隔的增加,干涉调制度降低。理论分析和试验测量结果调制度最大偏差0.02,分析与实测结果一致性较好。

声光式外差干涉仪的光路设计与分析

制造业的发展迫切需要对高速加工过程中的物体进行测量和定位,利用声光调制法实现外差干涉能产生较高的频差可以实现高速测量。文中对声光式外差干涉仪的光路设计进行了分析,提出了空间分离一级衍射光和零级衍射光的一种方案,并且对光拍频的接收,光路的调整进行了分析,实验结果证明该实验系统可以用于外差干涉测量。

适用于工业现场的小型化双波长激光外差干涉仪

适用于工业现场的小型化双波长激光外差干涉仪李彬，梁晋文（东南大学机械系南京２１００１８）（清华大学精仪系北京１０００８４）０引言多波长激光干涉测量利用合成波长概念，可以在降低或不降低测量灵敏度的前提下，延长干涉测量的非多值区间（ｕｎａｍｂｉｇｕｏｕｓ...

基于FPGA的激光外差干涉仪反正切解调技术

针对高频声学应用中多普勒信号软件解调的局限,提出了一种基于FPGA的数字硬件信号解调方案。基于AD9467设计了高速ADC采集系统,以实现原始多普勒信号的奈奎斯特采样或带通采样;基于Xilinx Zynq-7000片上芯片系统设计数字信号处理系统,实现了DDS合成参考信号与多普勒信号混频、低通滤波产生I&Q基带信号对,采用CORDIC算法对I&Q基带信号对反正切解调得到待测振动位移,实现了多普勒信号的实时解调。50~500 kHz范围的数值仿真和50~300 kHz范围的初步实验结果验证了设计方案的可行性。

波片和偏振片对外差干涉仪非线性的影响

为了减小外差干涉仪的非线性误差，必须明确波片和偏振片对非线性误差的影响机理。通过理论分析和试验发现，波片和偏振片位于偏振分光镜之前和之后对非线性的影响是不同的。如果把有误差的波片和偏振片放置在偏振分光镜前面，其误差将100％地引入非线性。如果将相同的这些光学元件安装在于涉仪里面，有可能影响非线性，但通常在高阶误差范围内。

偏振光器件对外差干涉仪非线性的影响

偏振光器件,如波片和偏振片等,当自身有误差或具有安装误差时,会对外差干涉仪的非线性误差产生影响。通过理论分析和试验发现了一个与传统理论不同的重要事实,即当波片和偏振片位于偏振分光镜之前和之后时,它们的误差对非线性的影响不同。如果把有误差的波片和偏振片放置在偏振分光镜前面,其误差将100%引入非线性;如果将相同的这些光学元件安装在干涉仪里面,有可能影响非线性,但通常在高阶误差范围内。

超精密外差利特罗式光栅干涉仪位移测量系统

开展了扫描干涉光刻机工作台超精密位移测量的实验研究,以提高扫描干涉光刻机的环境鲁棒性。针对扫描干涉光刻机工作台位移测量精度,提出了新型高环境鲁棒性外差利特罗式光栅干涉仪测量系统。介绍了系统测量原理,设计了测量系统,提出了基于Elden公式的系统死程误差建模方法。设计制造了尺寸仅为48mm×48mm×18mm的光栅干涉仪。基于误差模型计算了死程误差,计算结果表明:对于1.52mm死程的光栅干涉仪,宽松的环境波动指标(温度波动为0.01℃、压力梯度为±7.5Pa、相对湿度波动为1.5%、CO2含量波动为±50×10-6)仅引起±0.05nm的死程误差。最后,设计了基于商用双频激光平面镜干涉仪的测量比对系统,开展了光栅干涉仪原理验证实验和测并量稳定性实验。原理验证实验表明:光栅干涉仪原理正确且系统分辨率达0.41nm。测量稳定性实验表明:常规实验室环境下,环境波动引起的死程误差为7.59nm(3σ)@<0.9Hz&1~10Hz,优于同等环境条件下平面镜干涉仪的31.11nm(3σ)@<0.9Hz&1~10Hz。实验结果显示系统具有很高的环境鲁棒性。

在线测量表面粗糙度的共光路激光外差干涉仪

一种新型的、用于在线测量表面粗糙度的激光外差干涉仪已研制完成。该仪器体积小（２５ｃｍ×２０ｃｍ×１０ｃｍ）、抗外界环境干扰能力强。仪器以稳频半导体激光器作为光源。共光路设计，使测量光和参考光沿同一路径入射到被测表面上。计大数和测小数周期相结合的外差信号处理方法，实现了大的动态测量范围和很高的测量分辩率。同时还采用了全反射临界角法进行自动聚焦。该仪器的纵向和横向分辨率分别为０．３９ｎｍ和０．７３μｍ；自动聚焦范围为±０．５ｍｍ，在焦点±２５μｍ范围内，聚焦精度为１μｍ；８０分钟内整机稳定性：３σ＝１．９５ｎｍ。

纳米精度外差干涉仪非线性漂移的研究

在纳米精度外差干涉仪中，由于非线性的温度漂移，成为外差干涉仪实现纳米精度测量的重要误差源。本文对差动干涉仪的理论分析得出了如下的结论：干涉仪中除了存在测量光路和参考光路以外，还存在参考光误差分量和测量光误差分量的额外光路，从而引入新的干涉混叠，产生非线性漂移；１／４波片的相位延迟量误差和安装误差是引入非线性漂移的主要因素，其影响程度是一阶的。提高波片加工精度，并尽量减少其级数可降低非线性漂移。

双波长绝对距离外差干涉仪的研究

提出了一种采用双纵模稳频激光器的新型绝对距离测量外差干涉仪。该干涉仪探测两个波长各自的外差信号， 通过测量两信号的相位差， 直接测量出合成波的小数级次。指出了两波长间的相互耦合对测量精度的影响， 提出了补偿方法， 在２５ ｍ 的测量范围取得了 １４０ μｍ 的测量精度。

测风非对称空间外差干涉仪绝对相位漂移分析及校正

多普勒非对称空间外差干涉仪可用来探测氧气大气带气辉谱线的多普勒频移,进而反演中高层大气的风速。由风速变化引起的干涉条纹相位频移十分微小,而由系统误差导致的绝对相位漂移会严重影响风速反演精度。双臂式干涉仪与单臂式不同,除受扩视场棱镜和光栅影响之外,用于产生光程差的空气隔片的热膨胀也会影响干涉图的绝对相位。通过实测和仿真计算不同温度下的绝对相位漂移,分析了绝对相位漂移的原因。在此基础上,提出了一种绝对相位漂移校正方法,通过求零风速和某一给定风速下两条线性相位拟合曲线之间的距离,校正温度引起的绝对相位漂移,从而准确反演风速。结果表明,仿真分析与实测的绝对相位漂移具有较好的一致性。校正绝对相位漂移后反演的风速误差为3.5m/s,与校正前相比风速反演误差得到了极大的改善。

分光镜对外差激光干涉仪非线性的影响

外差干涉仪的非线性误差不仅由激光源的椭圆偏振态或者非正交线偏振态引起,也由非理想的光学器件引起,其中分光镜是一个重要的误差源。除了通常熟知的偏振漏光,还分析偏振分光镜中可能存在的另一个误差,即偏振分光的正交性,介绍这种误差和其他各种原因(包括激光源的椭圆偏振态或者非正交线偏振态)对外差干涉仪非线性误差的影响,给出检测和区分两类不同频率混叠误差的方法。通过试验证实,偏振分光镜的漏光误差对外差干涉仪非线性的影响通常是可以被忽略不计的。试验研究还发现,与传统的理论假设相反,非偏振分光镜比偏振分光镜对外差干涉仪的非线性误差有着更严重的影响。

纳米精度外差式激光干涉仪非线性误差修正方法研究

提出一种外差干涉非线性误差修正方法,采用混频技术将光频信号降低到通用数据采集系统频率响应范围内;采用高速数据采集板实现外差干涉测量信号和参考信号双通道同步实时采集;对采集数据进行光滑处理,滤除高阶非线性误差;解出位移量对应的相位差。试验结果表明,所提出的修正方法可以较好地修正双频激光干涉仪中存在的非线性误差,使外差干涉仪测量不确定度由原来的20nm降低到10nm。

外差激光干涉仪非线性的细分和消除

通过理论推导得到一个消除外差激光干涉仪非线性的理论,只要改变干涉仪的结构,也就是增加光程倍数,就可以减小激光干涉仪的非线性误差。实验证明,这个方法可以有效地减小双频激光干涉仪的各种非线性误差,不论这个误差是一阶的还是二阶的,也不论是什么原因引起的。它不仅适应于科学实验研究,而且也适应于工业精密测量应用,对纳米测试技术的发展具有实际意义。