清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京 100084
调频连续波（FMCW）激光雷达具有非接触式测量、抗环境光干扰、高分辨率、能够同时获取速度和距离信息等优势，近年来被广泛应用于航空航天、精密制造、无人驾驶等领域。FMCW激光雷达的测距能力很大程度依赖于其光源的扫频线性度。在实际应用中，扫频光源会受到诸如应力拉伸不均匀、腔内温度变化、电路噪声等因素的影响，导致扫频非线性的产生，使得测距分辨率和精度下降。针对这一问题，本文从原理出发，分析了FMCW激光雷达中光源扫频非线性的影响，系统介绍了不同类型扫频非线性校正技术的原理和国内外研究进展，并对这些方法的适用场景、特性和优缺点进行总结，为后续相关研究提供启发。
调频连续波 激光雷达 绝对测距 扫频光源 非线性校正 激光与光电子学进展
2024, 61(3): 0328001
1 清华大学精密仪器系，北京 100084
2 清华大学精密测试技术及仪器全国重点实验室，北京 100084
3 陆军装备项目管理中心，北京 100072
在空天探索领域，空间引力波探测是当前国际研究热点，核心技术是测量相距数百万千米的两测试质量间的平动转动等多个自由度，探测灵敏度需要在1 mHz~1 Hz频段达到~1 pm/Hz1/2以及~1 nrad/Hz1/2水平。目前，激光干涉是实现如此远距离的两个物体之间多自由度测量的最精密的手段，本文介绍了面向空间引力波探测的激光外差多自由度超精密测量技术，概述了其光路结构、测量原理、相位信号处理方法，回顾了近三十年国内外相关研究进展，并分析了空间引力波探测中外差干涉测量的噪声源作用机制以及相关研究进展。最后，对激光外差干涉多自由度超精密测量技术的发展趋势和前景作了展望。
测量 空间引力波探测 激光外差干涉 多自由度测量 差分波前传感 激光与光电子学进展
2023, 60(3): 0312006
1 阜阳师范大学 安徽省信息功能材料结构与器件重点实验室，安徽 阜阳 236037
2 清华大学 精密仪器系，北京 100084
激光回馈干涉具有共光路、精度高等优势，已经成为光学测量领域的研究热点。基于激光回馈干涉的理论及主要模型，根据外界反射物信息分析反射光特性，得到激光回馈干涉的测量方法，通过分析激光输出特性的变化实现外界反射物体的信息测量。针对粗糙表面物体或流体，激光回馈干涉结合散斑技术发展为激光回馈散斑干涉技术；针对光滑表面物体，激光回馈干涉在离轴短外腔下出现多重激光回馈干涉现象。激光回馈干涉技术在位移、角度、速度、成像等检测领域快速发展。激光回馈干涉能够检测粗糙表面的弱反馈光且灵敏度高，同时兼具传统干涉技术的高精度优势，在生物医学领域的非接触测量具有研究价值和应用前景。
激光回馈干涉 散斑 生物医学 laser feedback interference speckle biological medicine 红外与激光工程
2021, 50(4): 20200285
清华大学精密仪器系, 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 北京 100084
“没有测量就没有科学”,对物理量越来越精确的测量已成为现代科学和技术领域孜孜追求的目标。激光干涉精密测量具有可溯源,纳米甚至皮米高分辨率,以及数米、几千米甚至上千千米的超长测量范围等突出优点,被广泛用于IC装备、数控机床、超精密微纳制造、引力波探测等先进技术和前沿科学领域。清华大学激光精密测量与应用课题组长期围绕激光干涉和激光回馈干涉开展研究,先后在大频差、高功率保持的新原理双频激光器、用于无靶镜纳米测量的回馈干涉原理研究方面取得了突破,研制出新型双频激光干涉仪和激光回馈干涉仪,并在多个领域开展了应用研究。本文详细总结了课题组最近十年的研究成果,在此基础上展望了激光干涉精密测量与应用研究领域的发展前景。
激光光学 精密测量 激光干涉 激光回馈 计量应用 中国激光
2021, 48(15): 1504001
清华大学精密仪器系精密测试技术与仪器国家重点实验室, 北京 100084
基于高斯光束q参数变换理论严格推导出倒置望远系统对高斯光束的准直倍率,结果表明,在不考虑透镜遮挡条件下,倒置望远系统对高斯光束的准直倍率仅与几何压缩比有关,与高斯光束的束腰半径及物距无关。进一步研究发现,在适当的近似前提下,本文推导结果可与激光原理教材中的相关推导获得统一。对本文算法进行仿真,结果显示,在满足激光原理教材讨论的条件下,本文得到的准直倍率与其所得结果相一致。本文所得高斯光束经倒置望远系统的准直倍率可以为相关科研与工程实践活动中的准直操作部分提供更准确的参考。
激光光学 高斯光束 准直倍率
1 清华大学 精密仪器系 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 北京 100084
2 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
3 福建福晶科技股份有限公司, 福建 福州 350003
准确的双折射特性测量对于液晶的实际应用具有重要意义。研究了液晶材料的工作原理, 以激光回馈效应为基础, 搭建了各向异性外腔回馈双折射测量系统, 对不同驱动电压下液晶的双折射特性进行测量。测量结果表明, 各向异性外腔回馈双折射测量系统测量精度在0.3°之内; 通过施加0~24V交流电压, 液晶材料双折射率在2.74×10-1~2.39×10-3范围内变化, 对应各向异性呈现出460°~5°的大范围位相延迟值。电压范围在0.7~2V时, 电压-双折射率关系表现出较好的线性度, 通过线性拟合对该范围内电压-双折射率关系进行计算, 其线性度优于95.5%。液晶材料可以提供稳定的位相延迟, 同一电压值下的位相延迟短期重复性优于0.52°, 长期重复性优于4.5°。
液晶材料 双折射特性 位相延迟 激光回馈效应 各向异性外腔回馈 liquid crystals birefringence phase retardation laser feedback effect anisotropy external cavity feedback 红外与激光工程
2017, 46(3): 0306003
Author Affiliations
Abstract
Department of Precision Instrument, State Key Lab of Precision Measurement Technology and Instrument, Tsinghua University, Beijing 100084, China
A new optical method based on frequency-shift feedback and laser confocal microscopy is presented to noninvasively measure a microstructure inside a sample. Due to the limit of axial resolution caused by poor signal detection ability, conventional laser feedback cannot precisely measure the microstructure. In this Letter, the light scattered by the sample is frequency shifted before feedback to the laser to obtain a magnification. Weak signals that change with the microstructure can be detected. Together with the tomography ability of laser confocal microscopy, the inner microstructure can be measured with high axial resolution.
120.0120 Instrumentation, measurement, and metrology 120.4820 Optical systems 180.1790 Confocal microscopy 180.5810 Scanning microscopy Chinese Optics Letters
2015, 13(12): 121201
输出波长在560~590 nm的全固态拉曼黄光激光器是近几年兴起的激光器之一。目前，此类激光器内部多模振荡引起的黄光输出谱线单色性较差的问题还没有得到解决。针对这一情况，提出将扭转模腔与拉曼复合腔相结合的新型解决方案，从根本上消除增益介质中空间烧孔效应引起的基频光多模振荡，实现单纵模黄光输出。拉曼复合腔由L型基频光谐振腔与直线型拉曼谐振腔耦合而成，既保证各个非线性变换过程可充分利用腔内的高功率密度，又可相对独立地对不同波长的光路进行优化调节，从而使整个系统实现最佳输出。该设计有助于在全固态拉曼激光器中实现毫瓦量级的单纵模黄光输出，为基于黄激光的生物医疗、钠导星、空间目标识别等系统提供理想的固体黄光光源。
激光器 单纵模 全固态黄光激光器 受激拉曼散射 扭转模腔 复合腔 光学学报
2014, 34(12): 1214001
清华大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京 100084
利用激光回馈测量波片相位延迟精度高的优越性，以激光回馈技术为基础，实现光学波片的在盘测量，即在加工过程中，波片光胶于光胶盘的状态下测量波片位相延迟，以提高波片生产效率和成品率。采用凹面镜作为回馈镜以提高回馈信号调制深度,对激光回馈内、外腔长进行稳定,提高了系统可靠性; 研究了波片与光胶盘光胶对波片测量的影响，提出并验证了在光胶盘上开孔，在打孔的光胶盘上光胶、加工、测量波片的新工艺，最终实现了波片在盘测量，测量长期重复性优于1°，经过激光频率分裂系统校正后，系统精度优于0.5°。
波片位相延迟 激光回馈 光胶盘 wave plate phase difference laser feedback contact block
清华大学 精密测试技术与仪器国家重点实验室, 北京 100084
机械导轨运动副滚转角的高精度测量一直是一个难题。研究了很多光学方法, 但由于其角位移方向正好垂直于探测光束, 所以仍没有得到很好的解决。利用激光偏振面对旋转的敏感性, 通过测量由此引起的正交偏振激光光强、相位或频差的变化, 可有效地解决滚转角的测量问题。介绍了目前国内外基于正交偏振激光的滚转角测量技术, 根据其测量原理分为光强差测量、相位差测量和频率差测量三类。对每种测量方法的原理和发展现状进行了评述, 比较了各种方法的优缺点, 讨论了其发展趋势。
光学测量 角度测量 正交偏振激光 滚转角 optical measurement angle measurement orthogonally polarized lasers rolling angle
