一种激光多普勒测振相位解缠算法及FPGA实现

为了解决周期性跳变引起的相位解调问题,提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的自动相位解缠算法。采用数据流水线结构,通过状态机自动寻求跳变周期数,由跳变周期数实现自动相位补偿,并对提出的算法进行了理论分析和实验验证。结果表明,在FPGA内设置跳变周期数计数位宽为8位,能适用256次以下跳变情况;当增加跳变周期数计数位宽,可适应更多跳变次数的情况;自动相位解缠算法几乎不占用存储资源;能解决因振动调制范围增大引起的反正切相位跳变问题;相位解调误差在1‰以内,满足高精度振动检测实时性需求。此自动相位解缠算法为激光多普勒振动测量时反正切相位计算结果存在周期性跳变问题提供了更为简洁的解决方案。

基于FPGA的激光多普勒微振动检测及信号处理方法

为实现微弱振动信号的实时、高精度解调,提出一种基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的激光多普勒微弱振动检测及信号处理方法。采用全光纤结构的光学系统,振动信号处理系统则以FPGA为核心设计。改进相位解缠模块,在增大振动测量范围的同时,使其能适用于简谐振动与复杂振动。通过模拟振动实验验证了改进后相位解缠模块,且当振幅在80μm以内时,测量精度在5‰以内。通过对压电陶瓷实际振动目标测振实验,其频率测量误差在1 Hz以内,振幅与频率的测量精度均在1%以内。实验验证了该振动信号处理方案对于扩大振动测量范围与实现高精度目标振动解调的有效性。

激光多普勒离面振动测量的研究

提出了一种新型可辨向激光多普勒离面振动测试仪,计算并分析了激光多普勒技术的双相检测和矩形光栅的衍射光强分布。采用相位光栅作为光学混频器件,消除了信号的相互干扰,提高了测量的信噪比并充分的利用了光能。实验结果表明,该系统能有效地实现可辨向离面振动的测量,测量距离范围广,并可获得较高的精度。

纳米压印制作半导体激光器的分布反馈光栅

分布反馈(DFB)光栅的制作是半导体激光器芯片的关键工艺,通过纳米压印技术在InP基片表面涂覆的光刻胶上压印出DFB光栅图形,并分别通过湿法腐蚀和干法刻蚀技术将光栅图形转移到InP基片上。所制作的DFB光栅周期为240nm(对应于1 550nm波长的DFB激光器),光栅中间具有λ/4相移结构。采用纳米压印技术制作的DFB光栅相对于通常双光束干涉法制作的光栅具有更好的均匀性以及更低的线条粗糙度,而且解决了双光束干涉法无法制作非均匀光栅的技术难题。相对于电子束直写光刻法,采用纳米压印技术制作DFB光栅具有快速与低成本的优势。采用纳米压印技术在InP基片上成功制作具有相移结构的DFB光栅,为进一步进行低成本高性能的半导体激光器芯片的制作奠定了良好基础。

用于光刻的准分子激光束整形及其研究进展

阐述了在光刻应用中准分子激光束整形的原因和整形前后光束能量空间分布结果,并对建立准分子激光束整形的理论模型——高斯-谢尔模型(GSM)的方法进行了介绍。总结和分析了微透镜阵列和衍射相位光栅等光束均质器用于光刻激光束整形的优缺点,包括它们的整形能力、能量损失、干涉效应以及波前和振幅均匀化控制等;同时对主要整形器件的原理、特性和进展情况进行了简要综述。

平板湍流边界层内气泡流流动实验研究

在低湍流度水槽里 ,利用片光源显示了平板气液两相湍流边界层内气泡流的流场结构 ,研究了平板安装位置、来流速度、喷气方式等参数对湍流边界层内气泡流的影响 .利用激光测速技术测量了平板水平放置时气泡流最外缘处的水平速度及厚度 .结果表明 :平板喷气减阻的原因在于喷气改变了平板湍流边界层的流动结构 。

辨向激光光栅测振仪的研究

文中讨论激光多普勒技术的双相检测辨向方法 ,计算了单周期矩形相位光栅的衍射光强分布 ,比较了光栅常数相同的矩形相位光栅和振幅光栅的衍射效率。实验研究了一种利用双相检测法辨向的、以单周期矩形相位光栅作光束结合器的激光光栅测振仪系统。介绍了仪器的工作原理和信号处理方法 ,给出部分实验结果 ,实验结果与理论分析相吻合。

荷电气—液两相同轴圆射流的LDV研究

静电喷雾技术在许多领域得到广泛应用，但对荷电气两相流的理论研究尚不深入笔者通过采用二维激光多普勒测速系统（ Ｌ Ｄ Ｖ） 对荷电气—液两相同轴圆射流进行了实验研究，就电场作用下液滴直径的分布、荷电气液两相流的速度分布进行了分析，并给出了相间运动规律。

远距离处固体面内位移测量的研究

为了利用激光多普勒效应实现远距离处固体面内位移测量 ,研究了激光多普勒差动方法和锁相放大、同态滤波等技术 ,设计出能获得大的多普勒信号强度的差动光路 ,高灵敏度、大 Q值的锁相放大器和能重构丢失信号的同态滤波器等。实验结果证明将由它们所组成的系统用于 5 0 m处固体的面内位移测量 ,效果令人满意 ,其相对误差约 1%。

使用矩形相位光栅的可辨向激光多普勒测振仪

讨论了激光多普勒技术的双相检测辨向方法,分析了单周期矩形相位光栅的衍射效率,在此基础上,描述了一种利用双相检测法辨向的、以单周期矩形相位光栅作合束器(beam-combiner)的后向散射型激光多普勒测振仪,详细说明了仪器的工作原理,给出了有关的实验结果.采用能消除零级衍射光的矩形相位光栅来抑制杂散光和结合微弱的信号光,同时还在信号处理中采用差动电路来消除噪声,所以该仪器能在目标散射光比较微弱的情况下获得高信噪比(SNR)的信号,从而有利于扩大应用范围和提高测量精度.

基于锁相声光调制的激光多普勒测振技术的研究

为了测量运转轴承的振动,提出基于锁相声光调制的激光多普勒测振技术,检测轴承的振动信号。通过对系统分析,推导出数学模型。锁相声光调制信号提高了系统的分辨率,改善了频率选择特性;混频电路中采用差动的方式抑制了系统中的干扰噪声;数据处理采用取样积分技术,改善了信噪比。实测数据表明,该系统能够精确的提取运转轴承的振动信号,具有极高精度,对该系统进行不确定分析,其不确定度可达1‰。对旋转轴承的振动测量具有实用性。

DFB光纤激光器最佳输出特性研究

相移光栅是构成DFB光纤激光器谐振腔的关键元件,当相移光栅制作中引入附加损耗时,耦合系数和光栅长度对DFB光纤激光器最佳输出特性会产生明显影响。采用传输矩阵法,数值分析了不同谐振腔损耗下最佳输出功率所对应的最佳光栅长度及耦合因子的变化。结果表明,在设计光纤激光器时,根据光纤光栅的制作损耗,优化光栅长度及耦合因子可以使光纤激光器的输出实现最佳化。这些结论对基于光纤激光器的结构优化具有指导意义。

用于FBG刻写的小型准分子激光器实验研究

248 nm的KrF准分子激光是光纤布拉格光栅(FBG)的首选刻蚀光源。针对FBG的刻写要求,研制了一台小型化KrF准分子激光器,并进行了机械结构设计和改进。实验研究了充电电压、放电电容、工作气体配比和储气腔内的气体压力对输出激光能量和效率的影响,优化了激光器性能,输出的重复频率达200 Hz,单脉冲输出能量达16 mJ,能量不稳定度小于2%,输出窗口附近的近场光斑尺寸为6 mm×3 mm,最高输出效率为1.24%。用该激光器作为光源采用相位掩模法进行了FBG刻写的实验,效果良好。

一种制作掺Yb相移光纤光栅激光器的实验方案

采用遮挡法引入相移制作了掺Yb相移光纤光栅（PS-FBG）。在制作光栅的过程中，将其作为激光器的谐振腔，通过监测激光器的输出功率来确定相移大小。当激光器的输出功率开始下降时，停止曝光，此时引入的相移为π／2。为了使光栅的特性尽快稳定下来需要对光栅进行退火，这将导致引入的相移小于π／2。为了弥补退火过程中引起的相移降低，需要对退火后的光栅进行二次曝光，以使光栅的相移恢复π／2。利用该方法制作了一只光纤光栅激光器。当抽运功率为100mw时，获得了25mw的输出功率，信噪比（SNR）为60dB。在1h内，输出功率波动小于1％。当光栅的温度在25～30℃之间变化时，激光器单纵模运转。

用二维正弦相位光栅实现阵列激光相干并束

相干并束是获得高功率激光束的一种有效方法,特殊设计的二维正弦相位光栅是一种较好的并束元件。介绍了二维正弦相位光栅并束的设计方案,计算表明,在3×3和4×4分束时分束效率分别为81.1%和73.1%,与常用的达曼光栅相比分别提高37%和26.9%。对正弦相位光栅的制作和误差分析表明,并束效率存在极大值,给光栅的制作带来较大的误差宽容度,分束与并束在光栅表面的光场存在一定差别。如果仅用于并束,并束效率还有提高的可能。

采用光栅混频、偏振移相的多普勒位移测量技术的研究

研究了利用运动光栅作散射体的激光多普勒效应进行远距离目标横向位移的检测技术。采用光栅混频、偏振移相的光路设计,进行了测量原理分析,从理论上给出了在其方向辨别中的偏振移相方法。

相移反射体布拉格光栅在谱合成中的应用

谱合成是获得高功率激光输出的有效方法。建立相移反射体布拉格光栅谱合成模型,利用传输矩阵法,分析相移反射体布拉格光栅的衍射特性,并对反射体布拉格光栅的衍射特性和相移反射体布拉格光栅的衍射特性进行了比较。以两束光为例,分析相移反射体布拉格光栅谱合成特性,分析在高斯单色平面波入射条件下,光谱宽度对谱合成效率的影响。结果表明,通过在反射体布拉格光栅中引入π/2的相位畸变,可有效抑制衍射效率中的旁瓣的影响并增加参与谱合成的光束数目,对于两束光谱间距为30 pm的窄带光束谱合成,谱合成效率可达97%。