激光器输出功率稳定及高功率激光装置中长光程传输光束指向稳定,都对维持光学件位置的支撑镜架稳定性提出了很高的要求。为了维持光束的准直性,支撑结构必须兼顾可调节性和稳定性,而可调节性将引入不稳定性。本文针对可调节支撑镜架中常用的调节结构提出一种结构改进设计,通过添加单独起导向作用的精密滑动配合,实现对传统调节结构中导向与传动耦合的螺纹配合进行功能解耦,降低了螺纹配合中较大径向间隙对导向精度的影响,提高了镜架的稳定性;搭建了稳定性对比测试装置,实现在同一光路中对不同光学镜架的稳定性对比测试。实验结果验证了所提改进调节结构可有效提升光学支撑镜架结构的稳定性。

为解决时栅角位移传感器在实际应用中的在线标定问题, 提出了一种定角平移自标定方法并设计了相应的自标定系统。该方法首先把圆周封闭的自然基准转换成定角基准, 在时栅内部建立了自标定基准。然后, 根据傅里叶级数的性质, 将定角基准平移到傅里叶变换的幅值和相位中, 建立了测量值之差与误差之差的函数关系。通过对测量值之差进行傅里叶分析, 重构了时栅角位移传感器的误差函数。最后, 讨论了影响自标定精度的误差来源, 并设计了传感器的零点纠错算法。为了检验自标定效果, 利用激光干涉仪实验装置与自标定系统进行了对比试验。结果表明: 定角平移自标定精度为1.9″, 与理论计算的自标定误差(1.5±0.5)″的结论相符。提出的自标定方法在解决时栅自身标定基准的同时, 满足了精密测量领域对时栅精度和可靠性的要求。

设计了一种基于表面等离子体共振和相位检测的空气折射率实时测量系统，该系统采用双频激光外差干涉光路和具有角漂移自适应结构的表面等离子体共振传感器。理论分析表明测量光信号的p、s分量的相位差相对于参考光信号的变化与空气折射率近似呈线性关系，并由此得到测量公式，传感器的自适应结构将角漂移引起的误差降低了一个数量级并大幅提高了测量灵敏度。与Edlen公式的测量比对实验结果表明，在44.0°入射角(共振角附近)和0.1°的相位测量精度下，空气折射率的测量精度优于5×10-6。该测量系统还可为更高精度的空气折射率测量仪提供足够精确的初值。

提出了一种可抑制角漂移的表面等离子体传感器结构，并结合相位测量设计了相应的气体折射率测量系统。分析表明激光入射角、金膜厚度以及反射光p、s分量的相位差与气体折射率之间的固有非线性是影响相位响应度与折射率测量精度的主要因素。计算表明所提出的自适应结构将角漂移引起的误差降低了一个数量级并很大程度提高了测量灵敏度。同时分析设计了金膜厚度参数，并评估了反射光p、s分量的相位差与气体折射率之间固有非线性带来的误差。应用于空气折射率的测量比对实验显示其测量精度达到了10-6量级。