光学 精密工程
2023, 31(11): 1593
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 北京镭测科技有限公司，北京 100022
双频激光干涉仪功能强大，50年来保持良好的发展势头，应用面（特别是在先进制造业）越来越宽广。本文以解决关键技术为线，概述笔者及合作者经40年坚韧研究完成的“可伐-玻璃组装式单频He-Ne激光器→双折射双频激光器→双频激光干涉仪”的全链条技术。技术亮点有：开国内可伐-玻璃组装式He-Ne激光器之先，吹制工艺或成历史；开国内外内雕应力双频激光器之先，解大频差和高功率不可得兼之难，保持1 mW功率运转而频差可以在1~40 MHZ范围选择，还在源头上消除了干涉仪一直存在的测量非线性误差。目前，双折射双频激光器和干涉仪已在北京镭测科技有限公司批量生产。中国计量科学院测试结果表明，此双频激光干涉仪非线性误差小于1 nm，测量70 m长度时误差小于5 μm。
激光器 双频激光 干涉仪 研究历程 可伐-玻璃组装式结构 技术链条 激光雕刻
1 山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西 太原 030006
2 山西大学极端光学协同创新中心，山西 太原 030006
提出了一种基于双驱动马赫-曾德尔调制器（DD-MZM）的激光测距技术。通过对DD-MZM的单路进行调制可产生测距用的类双频光源，DD-MZM中两路光的时间延迟差很小，可有效抑制两路光拍频信号的强度噪声。为了进一步抑制由温度变化造成的两路光的相位差噪声，通过实时反馈控制DD-MZM的直流输入端，补偿了两路的相位差。首先基于光场传输函数建立了测距理论模型，分析了相位反馈控制的机理；然后基于理论模型搭建了测距系统，采用降频法采样信号；最后利用相位法反演出距离值。结果显示，在动态控制相位差后，系统相位差的长期漂移抑制比可达11 dB，距离测量的稳定度达到0.4 μm。该方案有利于提高激光测距系统的稳定性和集成度。
测量 激光测距 双驱动马赫-曾德尔调制器 双频光 激光频率调制
1 北方工业大学机械与材料工程学院，北京 100144
2 北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081
波片精度对偏振光学系统性能有着重要的影响，故需要对其相位延迟量和快轴方位角进行高精度测量。提出了一种新型基于双频激光干涉相位检测的高精度波片测量方法，采用双频激光外差干涉光路，利用一个可旋转半波片和一个角锥反射棱镜测量待测波片，可实现任意波片的相位延迟量和快轴方位角的高精度同时测量。所提方法不受波片、偏振片等双折射器件的方位角精度的影响，从原理上避免了该类系统误差。所设计的系统具有共光路结构，测量稳定性高，信号处理采用相位检测方式相对于一般的光强检测方式测量精度更高。此外，所设计的测量系统中元件很少，结构简单，测量过程快捷。误差分析表明，在现有实验条件下，测量系统的波片相位延迟量的测量不确定度约为3.9'，快轴方位角的测量不确定度约为5''。实验比对结果表明，所提方法的测量结果与其他方法测量结果的一致性很好。重复性测量实验表明，测量结果的标准偏差约为2'。
测量 波片测量 相位延迟量 快轴方位角 双频激光干涉 相位检测
复旦大学工程与应用技术研究院上海市超精密运动控制与检测工程研究中心，上海 201203
超精密位移测量系统是光刻机不可或缺的关键分系统之一，而基于激光外差干涉技术的超精密位移测量系统同时具备亚纳米级分辨率、纳米级精度、米级量程和数米每秒的测量速度等优点，是目前唯一能满足光刻机要求的位移测量系统。目前应用于光刻机的超精密位移测量系统主要有双频激光干涉仪和平面光栅测量系统两种，二者均以激光外差干涉技术为基础。本文将分别对这两种测量系统的原理、优缺点以及在光刻机中的典型应用进行阐述。
光刻机 外差干涉 双频激光干涉仪 平面光栅 激光与光电子学进展
2022, 59(9): 0922017
1 北方工业大学机械与材料工程学院, 北京 100041
2 北京理工大学机械与车辆学院, 北京 100081
基于Kretschmann结构,建立了一种具有四层介质的光纤表面等离子体共振(SPR)传感器理论模型。通过仿真可知,当折射率为1.333~1.336时,反射波p、s偏振分量的相位差与折射率呈近似线性的变化关系,并得到了光纤SPR的传感测量公式。实验使用双频He-Ne激光器作为光源,提出了一套基于共光路结构的外差干涉光纤SPR测量系统,并采用相位解调的信号处理方法,使传感器具有较高的测量分辨率。甘油溶液的实验标定数据表明测量结果与理论分析一致,且结果与采用其他测量方法得到的结果吻合度较好,二者所得折射率的相互误差小于8.0×10 -5。所提传感器可以应用于环境检测、食品安全、药物筛选及临床医学等领域中。
测量 溶液折射率 表面等离子体共振 光纤传感器 双频激光干涉 相位测量
双偏振激光谐振腔能够产生两个垂直偏振的横模模式, 分别为基横模（TEM00）和具有轨道角动量的涡旋光束（LG01）, 二者在光频率上具有频差。为了研究两个横模的频率差调谐特性, 采用温度与电压相结合的调谐技术方法, 实现拍频信号在不同频率范围的连续调谐。理论计算分析了两模式频差分别与温度和电压的对应关系, 实验实现了频差的大范围可调谐性, 并对频差的调谐精度进行了测量分析。结果表明, 频差与温度和电压之间都呈现出良好的线性关系, 并得到对温度和电压的调谐斜率分别为3.14GHz/K和1.76MHz/V。该研究能够更好地分析双偏振谐振腔直接产生涡旋光束现象, 并在激光通信和激光雷达探测等技术领域具有应用价值。
激光器 固体微片激光器 双频激光器 频差可调谐 涡旋光束直接产生 lasers solid microchip laser dual-frequency laser tunable frequency difference vortex beam generated directly
1 航天工程大学研究生院, 北京 101416
2 航天工程大学电子与光学工程系光学工程教研室, 北京 101416
采用双频激光相干探测技术实现高速目标的多普勒测量。结合随机统计理论和维纳-欣钦定理推导得到存在强度扰动时双频激光相干探测的信号功率谱函数,基于理论模型分析了拍频线宽和扰动频率对信号功率谱的影响,并进行了数值仿真和实验研究。结果表明,功率谱分布表现为洛伦兹型,在远距离探测时,拍频信号线宽的增加使功率谱展宽。强度扰动频率接近多普勒频移量时,功率谱展宽,幅度下降,这增加了频谱提取难度,降低了多普勒测量精度。
激光光学 双频激光 拍频光 强度扰动 相干探测 高速目标 激光与光电子学进展
2020, 57(3): 031407
天津大学 精密测试技术与仪器国家重点实验室, 天津 300072
为了解决应用于关节型三维激光传感器的小型谐波转台角度定位精度标定的问题, 提出了一种基于Renishaw双频激光干涉仪的单自由度小型谐波转台旋转角度测量和补偿方法。首先依据干涉仪角度测量原理和光路调节方法, 建立了测量光路系统, 分析了回转台装配误差对角度测量精度的影响并进行了有效调整, 而后提出了小型谐波转台360°范围角度标定的实验方案, 最后通过曲线拟合的方法分析了转台转角误差的测量数据, 总结转台转角误差随位置改变的变化规律, 并将误差补偿函数嵌入控制器中, 对转台的每次运动进行实时有效补偿。实验结果表明: 使用该标定补偿方法能够将小型谐波转台的定位精度提高85%以上, 补偿后的定位误差小于10″。采用该方法能够对小型谐波转台进行小间隔360°标定, 标定后转台满足激光传感器空间精确定位的要求。
双频激光干涉仪 360°标定 小型谐波转台 dual frequency laser interferometer 360° calibration small harmonic turntable 光学 精密工程
2019, 27(10): 2207
浙江大学 光电科学与工程学院 现代光学仪器国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
为获取光学平台多自由度微振动信息, 设计了一种基于平面镜双频激光干涉的三自由度动态微振动测量系统。该系统利用激光多普勒效应, 采用三个测量轴获得测量反射镜的三点位移信息, 计算出测量镜平动、扭转角、俯仰角信息, 实时检测三自由度的微振动情况, 从而为光学系统的微振动补偿控制提供基础。对微振动测量系统进行了不确定度分析, 建立了不确定度模型, 为进一步提高系统精度提供理论依据, 也为系统在校准和计量领域的应用奠定基础。实验过程中, 采用高精度地震计对待测平台进行同步测量, 与系统平动测量结果进行对比, 验证了系统的测量准确性。该系统的平动分辨率可达到5 nm, 扭转角分辨率为5.05 μrad, 俯仰角分辨率为4.69 μrad, 具有多自由度、非接触、高分辨、可溯源的优点。
微振动测量 双频激光干涉 多自由度 不确定度分析 micro-vibration measurement dual-frequency laser interference multi-degree of freedom uncertainty analysis
