多普勒差分干涉仪基于一种新型中高层大气风场探测系统，通过计算干涉图相位变化量反演观测目标源光谱的多普勒频移，实现大气风场测量。基准相位作为确定风场多普勒频移量的必要参数，其稳定性是保证风速测量精度的核心指标之一。针对非对称量相位漂移、相位斜率漂移和干涉图相位漂移这三项影响干涉仪基准相位的因素开展研究，基于多普勒差分干涉原理对其相位热漂移开展了理论分析，提出了各项因素相位漂移量的分离测试方法，并基于近红外多普勒差分干涉仪开展了实验测试。环境温度波动为0.27 ℃时，相位斜率变化量为670 mrad/m，干涉图相位漂移波动范围为8.9 mrad；修正干涉图相位漂移后，非对称量相位漂移约为4.7 mrad，均方根为0.98 mrad，等效风速测量误差为0.81 m/s。通过温度拉偏实验，得到非对称量相位漂移随温度的变化率为-493 mrad/℃的结论。

开展了扫描干涉光刻机工作台超精密位移测量的实验研究，以提高扫描干涉光刻机的环境鲁棒性。针对扫描干涉光刻机工作台位移测量精度，提出了新型高环境鲁棒性外差利特罗式光栅干涉仪测量系统。介绍了系统测量原理，设计了测量系统，提出了基于Elden公式的系统死程误差建模方法。设计制造了尺寸仅为48 mm×48 mm×18 mm的光栅干涉仪。基于误差模型计算了死程误差，计算结果表明：对于1.52 mm死程的光栅干涉仪，宽松的环境波动指标 （温度波动为0.01 ℃、压力梯度为±7.5 Pa、相对湿度波动为1.5%、CO2含量波动为±50×10-6）仅引起±0.05 nm的死程误差。最后，设计了基于商用双频激光平面镜干涉仪的测量比对系统，开展了光栅干涉仪原理验证实验和测并量稳定性实验。原理验证实验表明：光栅干涉仪原理正确且系统分辨率达0.41 nm。测量稳定性实验表明：常规实验室环境下，环境波动引起的死程误差为7.59 nm (3σ) @＜0.9 Hz&1~10 Hz，优于同等环境条件下平面镜干涉仪的31.11 nm (3σ) @＜0.9 Hz&1~10 Hz。实验结果显示系统具有很高的环境鲁棒性。

多普勒非对称空间外差干涉仪可用来探测氧气大气带气辉谱线的多普勒频移，进而反演中高层大气的风速。由风速变化引起的干涉条纹相位频移十分微小，而由系统误差导致的绝对相位漂移会严重影响风速反演精度。双臂式干涉仪与单臂式不同，除受扩视场棱镜和光栅影响之外，用于产生光程差的空气隔片的热膨胀也会影响干涉图的绝对相位。通过实测和仿真计算不同温度下的绝对相位漂移，分析了绝对相位漂移的原因。在此基础上，提出了一种绝对相位漂移校正方法，通过求零风速和某一给定风速下两条线性相位拟合曲线之间的距离，校正温度引起的绝对相位漂移，从而准确反演风速。结果表明，仿真分析与实测的绝对相位漂移具有较好的一致性。校正绝对相位漂移后反演的风速误差为3.5 m/s，与校正前相比风速反演误差得到了极大的改善。

激光超声振动是在纳米级的微振动,受环境噪声的影响比较大,且使用传统方法得到的探测信号强度太低,不利于检测。针对这个问题,使用组合双凸透镜对激光进行聚焦,提高探测信号的强度,并设计了具有较高灵敏度的双光路差分干涉系统,将参考信号与探测信号的强度差控制在理想范围内。实验结果表明,探测信号的强度可达到648 mV,与传统方法相比有10倍左右的提升,解调出的振动信号失真度较小,信噪比可达32.1 dB,提升了近5倍。与传统方法相比,各项性能有了较大提升。

以单束正交线偏振光为光源，利用索列尔-巴比涅相位补偿器使相位连续变化，采用锁相放大器进行数据采集，设计了一种由光纤耦合输出的窄频半导体激光器和双声光调制器组成的共线外差干涉系统，对其相位特性进行了研究，分析了激光束漂移及光源谱线宽度对相位测量的影响.实验表明：系统的相位分辨率为0.3611 μm，相位灵敏度为27.386°/mm，测量误差为0.090 rad；可以消除由声光调制器光强调制引起的相位误差，抑制激光束漂移引起的误差，以及减弱环境因素产生的噪声对测量结果的影响.

为了实现工业中较大直线位移上的滚转角快速测量, 设计了一种基于激光外差干涉技术的几何空间对称四光路滚转角测量系统, 并针对缺少滚转参数的较大行程位移台, 进行了滚转特性测量试验。试验证明, 几何空间对称四光路滚转角测量系统稳定性好, 抗干扰能力强, 不仅有效消除了其它自由度误差的串扰, 还能够高效地测出不同精度直线位移台的滚转特性, 并灵敏地再现了直线位移台工作条件发生改变时工作台滚转角变化。使用常用的2π/512细分的相位计和宽度为120 mm的楔面反射镜, 系统角测量分辨率为0.8″, 最大可测行程达到6 m。若将相位计细分提高100倍, 滚转角的测量分辨率将达到0.008″。当楔面反射镜宽度提高1倍, 最大可测行程超过10 m。

为了测量半导体激光器在电流调谐下的动态波长, 提出了基于光纤延时自外差法的测量方案, 阐述了测量原理, 研究了拍频与动态波长的递推关系。 应用该实验系统测量了分布反馈式半导体激光器调谐的动态波长特性, 与由光谱仪测量的稳态波长特性比较。 结果表明, 动态波长与稳态波长随电流变化特性有着类似的非线性规律, 在20~100 mA调谐范围内二者差异小于0.002 nm。 此外, 通过气体CO2的两条吸收谱线与HITRAN谱库中标准吸收线位置比对, 辨识出半导体激光器调谐的动态波长, 该辨识出的动态波长值与由延时自外差法推算出的动态波长值比较, 二者误差为1 pm, 进而验证了该测量系统的可靠性。

由于压电陶瓷驱动器作纳米定位控制系统驱动元件会导致定位过程中出现超调及振荡现象,故提出了一种新的基于外差干涉仪和自制高频相移电路的光电相移压电陶瓷驱动方法。实验论证了在严格控制的实验环境下,压电陶瓷能实现自主位置锁定并以纳米量级步距值被逐步推进。步距值可控的压电陶瓷驱动器与商用宏动平台结合,可实现纳米精度重复性的大行程定位系统。实验结果表明,对于5 mm往返行程的位移,在靠近目标处执行理论值为5 nm步距值的步进位移时,系统的定位重复性精度小于1 nm。该定位方法规避了压电陶瓷的机械非线性误差,具有系统架构简单,定位速度快等优点,可应用于当前纳米科技和超精密加工等领域。