北京交通大学发光与光信息技术教育部重点实验室，北京 100044
为了实时测量高频、微小面内振动，利用硅酸铋（BSO）晶体的光折变特性搭建了基于动态全息的面内微振动测量系统。通过粗糙表面的散射信号光携带面内振动信息，与参考光在晶体内干涉形成动态全息并实时衍射，参考光的衍射光和信号光的透射光之间形成新的干涉，通过光电探测器对干涉信号进行解时域或频域的探测，即可得到振动信息。以剪切式压电陶瓷驱动的散射片为被测物，实验测量了0.5~240 kHz的亚微米量级的面内振动。
测量 动态全息 面内振动 硅酸铋（BSO）晶体 振动测量
北京交通大学发光与光信息技术教育部重点实验室，北京 100044
仪器是获取信息的主要手段，是信息产业的支撑。快速准确地获得多种信息是测量仪器的一大发展趋势，也是信息时代快速发展的必然要求。激光多自由度同时测量具有测量效率高、多自由度误差参数同时测量等显著优点，克服了传统激光单参数测量获取信息有限、测量效率低下等缺点，成为数控机床误差测量等领域重要的研究方向。本文按照激光单自由度测量方法到多自由度同时测量系统集成的顺序，对目前激光多自由度同时测量方法和系统进行了较全面的介绍，分析了其优缺点，并讨论了激光多自由度未来的发展趋势。
测量 单自由度测量 多自由度同时测量 数控机床误差测量 研究现状与发展趋势 激光与光电子学进展
2023, 60(3): 0312012
北京交通大学 发光与光信息教育部重点实验实，北京 100044
转轴径向运动误差是转轴的重要误差项之一，严重影响数控机床等转轴相关设备的精度和性能。利用激光干涉配合伺服转轴可以实现转轴径向运动误差的测量，但由于待测转轴和伺服转轴的自身转速不匀、伺服响应延迟、跟踪不稳等原因，干涉测量信号存在持续微幅相位抖动，进而造成非线性误差难以有效修正，相位解算精度不高，测量误差大。针对这一问题，提出一种零值截取-阈值判定的干涉信号处理方法，成功消除了相位抖动的影响。设计并搭建了一套转轴径向运动误差的激光干涉测量装置，针对实测信号的处理结果表明，相比于传统修正方法，文中提出的修正方法使得转轴径向运动误差干涉测量信号解算的重复性由4.8 μm减小到0.2 μm，与标准仪器的对比误差由3.5 μm降为2 μm。
转轴 径向运动误差 相位抖动 非线性修正 rotary axis radial motion error phase jitters on-linear correction 红外与激光工程
2022, 51(12): 20220205
发光与光信息技术教育部重点实验室, 北京交通大学理学院, 北京 100044
介绍了研制的一种基于共轴锁模腔增强吸收光谱技术的中红外甲醛气体检测系统。 系统采用了发射中心波长为3.6 μm的带间级联激光器为光源, 以高精度F-P谐振腔作为气体反应池, 通过激光在谐振腔内的多次反射极大地提高了有效吸收路径。 为了实现甲醛检测, 利用Pound-Drever-Hall(PDH)技术将激光频率和腔谐振频率锁定至波长为3 599.08 nm的甲醛吸收峰上。 实验发现, 谐振腔腔长容易受到外界环境的影响产生变化, 导致系统失去锁定, 产生测量误差; 为了抑制这一现象, 提高系统的准确性和抗干扰性, 采用了动态PDH锁定技术, 通过低频锯齿波信号对腔长进行小范围内的周期性调制, 使得腔谐振频率在目标气体吸收峰附近缓慢来回变化; 通过选择合适的扫描范围使得在扫描过程中激光与谐振腔保持频率锁定。 系统通过光电探测器采集谐振腔透射光强信号, 通过对腔透射信号进行拟合计算来确定甲醛浓度。 为了验证检测系统的有效性、 评估系统的性能, 采用质量流量计配备了6种不同浓度的甲醛气体样品并开展了甲醛吸收光谱测量实验、 系统标定实验和稳定性实验。 实验结果显示, 在0~10 mL·L-1范围内, 腔透射信号拟合值与甲醛浓度之间呈现出良好的线性关系; 通过Allan方差分析得到当积分时间为1 s时系统检测下限为52.8 nL·L-1, 积分时间为14 s时检测下限可以降至3.3 nL·L-1。 此外, 通过增加谐振腔的腔镜反射率和腔长可以提高有效吸收路径, 进一步降低检测下限。 该系统灵敏度高、 响应速度快, 具有较好的抗干扰性和长期稳定性, 在痕量甲醛检测方面具有广阔的应用前景。
红外吸收光谱 腔增强技术 频率锁定 甲醛检测 Infrared absorption spectrum Cavity enhancement technology Frequency locking Formaldehyde detection 光谱学与光谱分析
2021, 41(7): 2077
北京交通大学 发光与光信息技术教育部重点实验室, 北京100044
为了提高激光超声的激发效率且不对被测表面造成损伤, 改变了光源的空间分布, 采用脉冲激光环形光源激发超声及有限元方法,应用多物理场耦合软件, 对铝板中激发的超声全场波形进行了数值模拟, 研究了环形光源中轴线上叠加横波的激发特性随激光参量而变化的规律, 并与点光源激发超声进行对比。通过模拟缺陷所导致超声场的变化规律, 提出一种环光源双面扫描检测裂纹的方法, 验证了利用叠加横波特性进行缺陷检测的可行性和有效性。结果表明, 使用环形光源, 其光源损耗常在50%以下, 可大大提高激发效率, 横波传播方向稳定, 叠加深度与光环半径有关, 而环半宽则会影响叠加横波强度。该研究结果对环形光源激发超声应用于缺陷检测提供了参考。
测量与计量 激光超声 环形光源 数值模拟 超声波 measurement and metrology laser ultrasonic ring light source numerical modeling ultrasonic wave
1 北京交通大学理学院, 北京 100044
2 中国科学院光电研究院计算光学成像技术重点实验室, 北京 100094
3 中国科学院大学, 北京 100049
通过研究双折射晶体Nd∶YVO4的偏振特性,利用楔角为10°的Nd∶YVO4激光晶体和倍频晶体KTP(磷酸钛氧钾)在绿光激光器中构造了一个新型双折射滤波器。理论分析了KTP晶体的长度、基频光在KTP中的入射角度和KTP的温度对双折射滤波器选频的影响。实验中使用长度为4.4,5,7 mm的KTP,采用V型腔结构,最后分别获得了90,120,104 mW的单频绿光。实验结果表明,由楔形Nd∶YVO4和KTP构成的双折射滤波器成功实现了激光单纵模运转,且方法简单易行。当KTP晶体长度为5 mm时,测得楔形Nd∶YVO4/KTP激光器的单纵模运转温度范围约为5 ℃。
激光器 Nd∶YVO4晶体 单纵模运转 双折射滤波器 KTP晶体
1 北京交通大学 发光与光信息教育部重点实验室, 北京 100044
2 西安应用光学研究所, 陕西 西安 710065
提出了一种基于光纤激光自准直转轴转角定位误差测量的方法, 建立了包含转轴运动误差以及安装误差的误差模型, 仿真分析了23项误差对转角定位误差测量的影响, 结果表明仅有参考转轴与待测转轴之间的4项安装误差的影响量与转轴旋转角度相关, 且只需精细调整其中两项角度安装误差即可保证影响量小于0.2″。利用所搭建的测量装置对某分度盘的转角定位误差进行了测量, 三次测量重复性偏差约为0.9″, 与光电自准直仪对比的最大偏差约为0.6″。结果表明: 利用该测量方法和测量装置可以实现转轴转角定位误差的全周范围高精度测量, 验证了所提出模型的有效性。
转角定位误差 激光自准直 误差测量 转轴 angular positioning error laser autocollimation error measurement rotary axis 红外与激光工程
2019, 48(2): 0217001
Author Affiliations
Abstract
Key Laboratory of Luminescence and Optical Information, Ministry of Education, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China
We report a method for simultaneously and directly measuring all six-degrees-of-freedom (six-DOF) motion errors of a rotary axis. Such a method combines the principles of laser interferometry and laser collimation measurement. One reference rotary axis and two retro-reflectors are used to achieve simultaneous sensitivity to all six errors in a full-circle measuring range. As no separation models are required, our method is capable of dynamically measuring these errors in real time and conveniently determining the origin of the errors. An automatic measuring device is built. The effectiveness of our method is experimentally demonstrated.
120.3930 Metrological instrumentation Chinese Optics Letters
2019, 17(1): 011203
1 中国特种设备检测研究院, 北京 100029
2 北京交通大学理学院, 北京 100044
端接光纤光栅应变传感器具有无多峰、栅区不直接受力和各点受力相等等优点,在基片式和夹持式等传感器封装中得到广泛应用。但黏接层的剪切变形会导致光纤光栅测量应变与基体结构应变不同,从而产生应变测量误差。实际使用中,需要准确获得黏接层剪切变形影响下光纤光栅应变与基体结构应变的函数关系,以提高应变的测量精度。为此,推导了线黏弹性表面黏贴式端接光纤光栅应变传递方程,建立了瞬时响应和准静态响应下光纤光栅和基体之间的平均应变传递模型。讨论分析了影响平均应变传递率的因素,给出明显优于栅区黏接式光纤光栅应变传感器的黏接层参数的影响规律。通过有限元仿真验证了理论方程的有效性。该模型为端接光纤光栅应变传感器的设计与应用提供依据。
光纤光学 应变传递 端接光纤光栅 光纤传感 表面黏贴 线黏弹性 激光与光电子学进展
2018, 55(11): 110604
1 北京交通大学 理学院, 北京 100044
2 中国科学院计算光学成像技术重点实验室, 北京 100094
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1 μm(快轴)×200 μm(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。
激光二极管 光束整形 圆柱透镜 自聚焦透镜 laser diode beam shaping cylindrical lens self-focused lens 红外与激光工程
2018, 47(12): 1218006
