在激光回馈原理的基础上，搭建了一套双折射元件测量系统，双折射元件为光学系统中使用广泛的1/4波片，对其相位延迟进行了测量。为了进一步改善系统的稳定性，对系统中的光源He-Ne激光器引入了温度稳频的方式，尝试通过控制激光器谐振腔的温度来控制谐振腔腔长的改变，使激光器长时间稳定工作在单纵模状态下，这种稳频方式可使He-Ne激光器的频率稳定度达到10^-7，符合激光回馈测量的使用要求。最后，同一系统分别采用未稳频和温度稳频两种不同的方式，对1/4波片进行10次相位延迟量的测量，实验结果表明，未经稳频的系统10次重复测量的最大偏差为1.29°，标准差为0.47°，经过温度稳频后10次重复测量最大偏差为0.83°，标准差为0.29°，稳频后，系统的稳定性得到改善。

激光器回馈干涉（又称自混合干涉）与传统的光干涉有实质不同。前者发生在激光器（光源）内部，激光介质增益对干涉效果（条纹形状等）起重要作用，而后者只发生在激光器外部的光路上。本文从应用的角度，也从和传统的激光干涉对比的角度探讨固体微片激光器回馈干涉仪的关键技术，包括对固体微片激光器回馈有特殊意义的 “弛豫振荡”、高光灵敏度（完全非接触）的形成、测量精度提高、测量速度增加、频率稳定等。还将介绍本团队研究微片激光准共路-调频回馈干涉仪应用的成果，包括回馈共焦显微技术、表面测量、振动（和声音）测量、面内位移测量、热膨胀系数测量、折射率测量等。

提出了一种基于频分复用技术的激光反馈干涉二维动态位移测量方法。激光器输出的光被分为两路,分别以±1级自准直衍射角入射至反射光栅,并沿原光路返回至腔内产生激光反馈干涉效应。在±1级衍射光路中放置电光晶体对光束相位进行高频调制,利用频分复用技术实现二维动态位移的测量。实验结果表明,所提方法能够重构出物体的二维动态位移,位移分辨率可达10 nm量级。所提方案通过在激光反馈干涉仪中引入衍射光栅,提高了激光反馈干涉测量系统的稳定性和抗环境干扰能力,同时也为使用单光源进行多维度微位移测量提供了新的思路。

“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。

微片激光器移频回馈成像技术是一种新兴的相干光成像技术, 具有灵敏度高、相位可测量、系统结构简单等特点。该项技术可与共聚焦成像、超声调制光学成像、光学合成孔径成像等多种成像技术相结合, 在微器件结构测量、生物组织成像、强散射成像等多个领域得到了应用。文章概述了激光器回馈技术的发展过程, 详细介绍了微片激光器移频回馈成像技术的理论模型、研究进展及应用情况, 并对该技术存在的问题进行了分析。

为了解决传统双折射测量系统在调节光学元件的过程中,结构复杂、耗时长且不状态稳定的问题, 采用计算偏振跳变曲线中o光和e光低电平占空比的方法, 增加了自动旋转波片的功能, 优化出一套具有较高工作效率的双折射测量系统。该系统可自动调整波片快轴方向, 使其可对准激光器的本征偏振方向, 减少了人为判断波片快轴时可能引入的测量误差。结果表明,波片相位延迟的最大偏差为0.65°, 标准差降低28%。双折射测量系统的测量精度及稳定性满足工业化生产的要求。

激光回馈技术灵敏度高, 并且无须配合靶镜就能够测量诸如黑色、粗糙的目标的位移或形变。为了消除环境(气压、地基震动、温度漂移等)对测量精度的影响, 设计、构建了稳定的微片正交偏振激光器, 采用半导体激光器泵浦微片; 搭建了包括光学、电路的完整的正交回馈干涉仪系统, 系统工作稳定, 实现了远距离处测量。这一系统能有效地减小环境对测量的影响, 提高激光回馈干涉仪的精度。

波片、晶体等自然双折射元件广泛应用于各种光学系统中。普通光学元件在加工、镀膜等过程中会引入残余的内应力, 形成双折射。双折射会对整个光学系统的性能产生影响, 需要对其进行精确测量。基于激光回馈效应, 利用偏振跳变中光强调制曲线与双折射的线性关系, 构建了光学元件双折射测量系统。通过引入稳频技术, 使激光器长期稳定单纵模运转, 增强了激光器的抗干扰能力, 提高了系统的稳定性。实验结果表明, 构建的激光回馈双折射测量系统测量精度优于0.24°, 重复测量最大偏差0.13°, 标准差0.06°, 稳定性好, 可靠性高, 可实现在线测量。该系统有潜力应用于微小应力的在线测量, 如飞机座舱盖、汽车玻璃等。

高端玻璃的内部应力精确测量关系其所在系统的安全性和可靠性。本文提出一种基于激光回馈效应的应力测量方法, 激光回馈系统由激光器和外部反射镜构成, 待测样品放置在回馈外腔中, 通过回馈光对激光器内部增益调制产生的偏振跳变现象提取双折射信息, 进而获得应力。首先, 从理论上分析了回馈系统中激光器输出的正交偏振模式相位与外腔应力双折射的关系; 接着, 通过傅里叶变换的方式得到双折射外腔激光回馈系统光强调谐曲线的相位信息; 然后, 采用标准四分之一波片对系统和算法的精度进行了测试。最后, 采用激光回馈系统对不同的飞机座舱有机玻璃样品内应力进行了测量, 并给出测量结果。实验结果表明: 该系统对应力的条纹数测量精度优于8.3×10-4, 满足高端玻璃的应力检测需求。