本文提出一种光学环形器噪声评价指标,介绍激光外差干涉原理。通过建立典型环形器在激光干涉系统位移测量中的噪声传递模型并结合环形器的噪声来源,分析和论证环形器非线性误差系数与杂散光相位对系统位移测量误差的影响,提出以环形器方向性为环形器噪声评价指标的误差评价方法,通过数值仿真验证其适用性。针对环形器噪声的主要来源,基于理论分析模型设计并研制一种点衍射空间光环形器。搭建验证系统并与商用典型环形器进行对比,点衍射空间光环形器方向性达到129 dB,较商用典型环形器提高66 dB,实现较高精度的目标位移测量。

改型Wollaston棱镜(MWP)无需中继, 可构建微型傅里叶变换光谱仪。回顾了MWP的基本原理, 从调制度定义出发, 计算得到准单色光源的复相干度, 找到调制度的影响因素——扩展视场、剪切结构、焦面探测等。建立一般的干涉定域分析模型后, 由像点逆光路追迹给出MWP的厚度计算公式, 代入调制度约束参数得到不同参量的误差容限。通过FRED记录不同视场扩展情况的灰度与辐照度, 结果显示, 调制度为0.9时, 视场与理论估算值1.24°基本相符; 不同剪切量的灰度与辐照度变化特性表明, 结构角会使定域垂直系统光轴的入射角发生变化, 与晶轴倾角共同影响双折射率差; 2.5和8μm像元探测采样表现出调制度差异, 描述了定域深度或离焦的影响。以准单色光源、复相干度表示调制度, 可将不同影响因素统一至约束参数中, 相关变量误差容限可作为MWPFTS的设计依据。

改型Wollaston棱镜(MWP)无需中继, 可构建微型傅里叶变换光谱仪。回顾了MWP的基本原理, 从调制度定义出发, 计算得到准单色光源的复相干度, 找到调制度的影响因素——扩展视场、剪切结构、焦面探测等。建立一般的干涉定域分析模型后, 由像点逆光路追迹给出MWP的厚度计算公式, 代入调制度约束参数得到不同参量的误差容限。通过FRED记录不同视场扩展情况的灰度与辐照度, 结果显示, 调制度为0.9时, 视场与理论估算值1.24°基本相符; 不同剪切量的灰度与辐照度变化特性表明, 结构角会使定域垂直系统光轴的入射角发生变化, 与晶轴倾角共同影响双折射率差; 2.5和8μm像元探测采样表现出调制度差异, 描述了定域深度或离焦的影响。以准单色光源、复相干度表示调制度, 可将不同影响因素统一至约束参数中, 相关变量误差容限可作为MWP-FTS的设计依据。

对于宽谱段、高分辨率的光谱测量场景,在探测面阵像素与像元尺寸受限的情况下,提出了双向剪切干涉的倾斜记录干涉图方式,以进行面阵探测器的多行像素拼接,在提高长波谱段分辨率的同时,避免单位剪切量增加造成的短波信息截止。以Wollaston棱镜偏振干涉具验证旋转像面的双向剪切干涉方式,计算剪切量在探测器二维空间上的载频关系,由等相位倾斜条纹衔接多列像素构成完整的干涉图。通过FRED软件模拟偏光干涉过程,以方解石晶体、C-RED ONE型探测器为例,验证等强度的1064,1550,1970 nm准单色谱线,结果显示:转角斜率为1/3时,双向剪切干涉复原谱线的位置误差小于1 nm,幅度比例达到0.9958∶0.9759∶1,1970 nm光谱分辨率提高至13 nm,为原值的2.38倍;对比复原棕榈蜡的近红外反射率光谱,768 pixel的扩展光程差反演的光谱显示出更多吸收特征,较320 pixel光程差反演的光谱分辨率增强,但因拼接误差在短波方向引入了一定的高频扰动。对影响拼接精度的剪切量进行误差分析,给出成像放大率一定时,转角误差容限与像面转角、观测波长、剪切角与分段光程差间的关系。基于像面旋转的双向剪切干涉光谱仪,解决了单纯提高剪切量带来的分辨率增强与高频截止的矛盾,拓展了系统参数的求解范围以及相关的误差容限,为宽谱段、高分辨率测量提供了选择。

传统的干涉光谱仪光谱复原算法是利用傅里叶变换复原光谱, 该方法为了消除有限光程差造成的旁瓣对光谱复原精度的影响, 进行了干涉图切趾处理, 但这会降低复原光谱的光谱分辨率。为了保证光谱分辨率和提高光谱复原精度, 文章提出一种光谱复原方法——基于仪器特征矩阵的Sagnac干涉光谱仪光谱复原方法。该方法旨在通过实验室定标及理论推导为每个Sagnac干涉光谱仪系统构建一个仪器特征矩阵, 对仪器特征矩阵利用最小二乘法复原光谱。利用多种物质的光谱进行仿真实验, 测试两种光谱复原方法的光谱复原精度, 结果显示仪器矩阵方法的复原误差稳定在1%~3%, 而傅里叶变换法的复原误差在3%~7%的范围内。因此, 和傅里叶变换光谱复原方法相比, 基于仪器特征矩阵的光谱复原方法的光谱复原精度更高。

采用光路展开法, 利用调制度与相位误差两种判据, 分析平行转镜在转动过程中的晃动、平行转镜的平行度、定镜的倾斜误差以及视场角等因素对平行转镜式光谱仪误差容限的影响.分析表明：平行转镜的晃动是平行转镜式光谱仪最重要的影响因素, 但由于平行转镜的连续快速转动, 惯性的作用会显著降低转动过程中的晃动影响；系统对平行转镜的平行度不敏感, 对定镜的倾斜与视场角的误差容限与传统迈克尔逊式光谱仪相同.相对于传统直线往复运动式的光谱仪, 平行转镜式光谱仪具有更高的探测速度与稳定性.同时, 误差容限分析也为该光谱仪的系统设计与装调提供了理论指导.

在时间调制傅里叶变换光谱仪中, 直线运动型动镜很难精确驱动, 容易引起倾斜和剪切的问题。 旋转型动镜可以解决该类问题。 介绍了一种转镜式傅里叶变换光谱仪方案, 并对其进行了原理分析和光程差公式推导, 提出了工程设计约束条件。 该光谱仪由一个分束器, 两个固定平面镜, 两面平行固定在一个转轴上旋转的平面反射镜, 前置镜, 后置镜及探测器组成。 通过原理介绍得出, 该光谱仪结构简单, 两条分光光线经同一平面镜反射后干涉, 使仪器更容易装调;通过光程差推算得出, 该光谱仪容易实现大光程差, 光谱分辨率高;通过工程设计约束及仿真分析得出, 该光谱仪需要在高速旋转的条件下实现高分辨率采样, 容易实现精确运动控制, 稳定性好, 测量速度快。