Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of In-fiber Integrated Optics, Ministry of Education of China, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
2 College of Physics and Optoelectronic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
3 Guangdong Provincial Key Laboratory of Information Photonics Technology (Guangdong University of Technology), Guangzhou 510006, China
4 School of Information Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510008, China
Film thickness measurement can be realized using white light interferometry, but it is challenging to guarantee high precision in a large range of thicknesses. Based on scanning white light interferometry, we propose a spectral-temporal demodulation scheme for large-range thickness measurement. The demodulation process remains unchanged for either coatings or substrate-free films, while some adjustments are made according to the estimated optical thickness. Experiments show that the single-point repeatabilities for 500 nm coating and 68 µm substrate-free Si film are no more than 0.70 nm and 1.22 nm, respectively. This method can be further developed for simultaneous measurement of surface profile and film thickness.
white light interferometry thickness measurement spectral-temporal demodulation thin film Chinese Optics Letters
2022, 20(9): 091201
1 哈尔滨工程大学物理与光电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 广东工业大学信息工程学院, 广东 广州 510006
3 纤维集成光学教育部重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
4 广东省信息光子技术重点实验室, 广东 广州 510006
mHz~kHz甚低频1/f噪声是限制超长光纤干涉仪测量精度的主要因素,厘清干涉仪1/f噪声的产生来源和分布规律是抑制测量噪声、提升观测精度的重要前提。为此,搭建了超百米臂长、全对称、差分探测的保偏光纤马赫-曾德尔干涉仪,通过开展基于不同类型窄线宽激光器和不同长度敏感光纤的干涉仪噪声测量实验,分别确定了光源频率噪声和光纤热噪声引起的干涉仪甚低频相位噪声谱分布特性;在此基础上,开展了超长光纤干涉仪1/f相位噪声谱分布规律研究。实验结果表明:260 m光纤马赫-曾德尔干涉仪的相位噪声幅值从μrad/Hz 1/2@1 kHz量级快速上升到10 mrad/Hz 1/2@1 mHz量级,它由光源频率漂移和光纤热噪声共同决定。从而证实了在mHz~kHz频段内,超长光纤干涉仪相位噪声服从1/f1+β的谱分布规律。
光学学报
2021, 41(13): 1306007
1 哈尔滨工程大学纤维集成光学教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工程大学理学院，黑龙江 哈尔滨 150001
3 哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001
4 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004
偏振串音是指光纤偏振器件与组件中两个正交偏振传输模式之间在微扰点发生的能量相互耦合的现象，而沿传输方向串音的连续分布既能够直接反映其光学偏振性能，如起偏、椭偏、消偏等特性，也能间接反映其制备工艺和外部环境状态，如连接与固定处的应力和应变、温度状态等。因此，偏振串音是光纤偏振器件与组件的固有性能和环境影响的综合体现，有望发展成为在线测试、诊断评价光纤偏振器件与组件性能的通用特征参量。基于白光干涉原理的光学相干域偏振测量(OCDP)技术是实现分布式偏振串音检测的最优方法，它利用扫描式白光干涉仪实现不同偏振模式间的干涉，对分布式串音发生的空间位置及幅值强度进行精确测量，具有超高灵敏度、超大动态范围、超长测量长度等优点。本文以光纤偏振器件与组件——保偏光纤环和多功能集成光学调制器作为分布式偏振串音精确测量与应用的范例，介绍了基于OCDP 技术的分布式串音测试原理，回顾了测量误差的来源及相应的抑制方法，如由测试光路的参数非理想引入的静态误差以及由测试环境变化引入的动态误差，展示了不同环境温度下光纤偏振器件与组件的精确测试结果。最后，结合光纤偏振器件与组件复杂多变的工作环境，对分布式串音测量方法的发展进行了展望。
偏振串音 分布式测量 光学相干域 保偏光纤(环) 多功能集成波导调制器 polarization crosstalk distributed measurement optical coherence domain polarimetry polarization maintaining fiber (coil) multi-functional integrated waveguide modulator
1 哈尔滨工程大学纤维集成光学教育部重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工程大学理学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
3 哈尔滨工程大学信息与通信工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
4 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院, 广西 桂林 541004
光学相干域偏振测量(OCDP)技术是一种基于白光干涉原理, 利用保偏光纤器件和组件中的偏振传输模式之间存在的能量耦合(偏振串扰)实现分布式偏振特性精确表征的测试方法, 具有超高偏振测量灵敏度(偏振串扰为-100~-90 dB)、高空间分辨率(5~10 cm)、超宽测量动态范围(109~1010)和长光纤测量距离(数千米)等优点, 可以满足包括光纤陀螺核心器件和光路在内的保偏光纤器件与组件的超高偏振性能测试需求。回顾OCDP原理与关键技术, 包括分布式偏振串扰的测试原理与精确建模方法以及OCDP仪器化若干关键技术；展示OCDP技术在超高消光比集成波导调制器、超长陀螺敏感环定量测试与诊断、评估中的应用；针对高性能光纤传感器复杂多变的应用环境, 展望OCDP技术在高精度光纤陀螺的核心器件与整机光路测试中未来的发展方向。
测量 光学相干域偏振测量 偏振串扰测试 光纤陀螺 多功能集成波导调制器 光纤敏感环
哈尔滨工程大学理学院光子科学与技术研究中心， 黑龙江 哈尔滨 150001
研究了一种长基线激光干涉仪的在线稳定性监测技术，可用于纳米量级的位移和振动测量。构建了一个臂长22 m的激光干涉仪用于位移和振动测量。基于相位生成载波(PGC)解调技术，通过在相位调制载波中增加已知频率、固定幅值的指示信号，利用指示信号的幅度变化，实现激光干涉仪的工作状态监测，以及测量环境的变化与波动的指示。实验结果表明，加入已知幅度频率的指示信号可以实现激光干涉仪在线运行状态的监测。该方法的优点是没有增加硬件负载，可实现激光干涉仪的在线稳定性监测，简化了干涉仪调试过程，提高了运行效率。
测量 激光干涉仪 纳米测量 相位生成载波 在线稳定性监测
哈尔滨工程大学理学院光子科学与技术研究中心, 黑龙江 哈尔滨 150001
提出了一种用于单频激光干涉仪的非线性误差被动补偿方法。利用干涉仪中波片位置的在线预置，实现干涉仪偏振态的超前调整，补偿干涉仪中由偏振分光棱镜、消偏振分光棱镜以及波片的性能和位置非理想导致的非线性误差。构建干涉仪非线性误差在线检测装置进行实验研究。结果表明，通过被动补偿方法集成的干涉仪输出信号的交直流抑制比大于500，非线性正交相移m减小至0.003 rad(0.15 nm)。通过连续24 h的稳定性测量实验可知，参数m变化幅度在0.024 rad(1.21 nm)内，极大地抑制了干涉仪的非线性误差。
测量 激光干涉 非线性误差 被动补偿 纳米测量
哈尔滨工程大学理学院光子科学与技术研究中心， 黑龙江 哈尔滨 150001
研究了一种基于偏振光的集成式单频激光干涉仪。利用偏振光学变换方法，实现了干涉仪的光学4细分结构，提高了测量灵敏度；构建4路正交探测结构，实现了干涉仪的无源偏振调制，扩大了干涉仪测量范围；采用光路集成化的设计方法，实现了一体化干涉仪光路集成。对激光干涉仪进行振动测量实验研究，结果表明，静态位移测量误差小于±0.3 nm，振动测量的分辨率达10 pm/Hz1/2；上述集成单频激光干涉仪具有测量精度高、稳定性好、动态范围宽、受环境影响小等优点，可被广泛用于纳米测量的各个领域。
测量 激光干涉仪 纳米测量 差动干涉 光路集成化
哈尔滨工程大学理学院光子科学与技术研究中心, 黑龙江 哈尔滨 150001
研究了用于纳米测量的激光干涉仪中光学波片对非线性误差的影响，基于琼斯矩阵理论建立了多波片的误差分析模型，分析了λ/2和λ/4波片引起的干涉仪非线性误差，对波片位置引起的非线性误差进行了实验研究。结果表明，波片位置调整精度对干涉仪测量影响巨大，在0~5°范围内，λ/2波片和λ/4波片引起的非线性误差分别为6.5 nm和9.5 nm。上述研究结果为单频偏振激光干涉仪光路调整及非线性误差的补偿提供了参考。
测量 激光干涉 纳米测量 偏振干涉 波片 非线性误差
哈尔滨工程大学理学院光子科学与技术研究中心, 黑龙江 哈尔滨 150001
提出一种偏振激光干涉仪的误差校正方法，可实时地对干涉信号的非线性误差进行校正。由于单频激光干涉仪中的光电元件存在的参数误差和位置误差以及外界环境因素的影响，使得输出的4路干涉信号的正交性受到破坏，产生了非线性误差。基于椭圆匹配原理，给出了非线性误差的校正算法和判据。对干涉信号的参数特征进行实时地统计与估值，并借助于对干涉条纹实现16384点细分，从而得到皮米级的位移测量分辨力。搭建了零差偏振激光干涉仪及振动实验装置，对校正前后的信号进行了对比实验。结果表明，经过非线性校正干涉仪信噪比提高超过30 dB，测量的分辨力优于10 pm/Hz1/2。
光学测量 误差校正 椭圆匹配 偏振干涉仪 非线性误差
