1 北京应用物理与计算数学研究所,北京 100088
2 清华大学工程物理系,北京 100084
3 危爆物品探测技术国家工程研究中心,北京 100084
太赫兹波在生物学和危爆物检测等领域有广泛的应用前景,但其在成像上会受到探测器灵敏度的限制。搭建一套基于太赫兹量子级联激光器的自混合相干成像系统,将全息成像技术与自混合干涉测量相结合,实现太赫兹波段的大景深成像。利用自混合收发一体的特性,在不同偏焦程度下,对分辨率板上每毫米2个线对的区域进行二维成像,在偏焦56倍波长条件下得到与焦平面处相同的图像对比度。
自混合探测 太赫兹成像 全息技术 量子级联激光器 景深扩展 激光与光电子学进展
2023, 60(18): 1811013
1 南京理工大学 电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210094
2 上海市计量测试技术研究院,上海 201203
3 上海市在线检测与控制技术重点实验室,上海 201203
4 中国计量测试学会,北京 100029
5 同济大学 物理科学与工程学院,上海 200092
纳米位移测量技术是实现高精度纳米制造的基础。激光自混合干涉为精密纳米位移测量提供了一种结构简便、成本低廉,同时测量精度可达纳米量级的精密位移测量方法。区别于传统基于反射镜或散射面为反馈元件的激光自混合干涉测量方案,研究了一种基于平面反射式全息光栅的激光自混合纳米位移测量方法,该方法的位移测量结果以光栅的周期为基准。实验测得了在弱反馈强度条件下的光栅自混合干涉信号,通过阈值设定的方法确定位移方向的反转点,结合反余弦的相位解包裹算法处理光栅自混合信号,获得了对应的位移测量值。最终采用商用激光干涉仪与自组装的光栅自混合干涉仪进行位移测量数据的比对测量,实验结果表明,经过线性修正后,其位移误差不超过0.241%。
纳米位移测量 激光自混合 光栅干涉仪 全息光栅 nano-displacement measurement laser self-mixing grating interferometer holographic grating 红外与激光工程
2023, 52(4): 20220676
Author Affiliations
Abstract
1 Institute of Advanced Photonic Technology, Faculty of Materials and Manufacturing, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
2 Key Laboratory of Trans-scale Laser Manufacturing Technology (Beijing University of Technology), Ministry of Education, Beijing 100124, China
The self-mixing interferometry (SMI) technique is an emerging sensing technology in microscale particle classification. However, due to the nature of the SMI effect raised by a microscattering particle, the signal analysis suffers from many problems compared with a macro target, such as lower signal-to-noise ratio (SNR), short transit time, and time-varying modulation strength. Therefore, the particle sizing measurement resolution is much lower than the one in typical displacement measurements. To solve these problems, in this paper, first, a theoretical model of the phase variation of a single-particle SMI signal burst is demonstrated in detail. The relationship between the phase variation and the particle size is investigated, which predicts that phase observation could be another alternative for particle detection. Second, combined with continuous wavelet transform and Hilbert transform, a novel phase-unwrapping algorithm is proposed. This algorithm can implement not only efficient individual burst extraction from the noisy raw signal, but also precise phase calculation for particle sizing. The measurement shows good accuracy over a range from 100 nm to 6 μm with our algorithm, proving that our algorithm enables a simple and reliable quantitative particle characteristics retrieval and analysis methodology for microscale particle detection in biomedical or laser manufacturing fields.
self-mixing interferometry particle detection continuous wavelet transform laser processing Hilbert transform Chinese Optics Letters
2023, 21(4): 041204
齿轮箱的振动信号当中包含齿轮运转过程中的所有特征信息,通过采集分析振动信号即可掌握设备当前运转状态。采集齿轮箱振动信号的方法有很多,利用激光自混合干涉原理实现的非接触式测量手段具有极其独特的优势:一是该方法能采集到齿轮箱故障早期的特征信号,以便及时采取对应措施;二是该方法在测量过程中无需破坏齿轮箱箱体表面即可得到检测所需的特征信息;三是相比于安装加速度传感器,该方法对箱体附着的反光镜片产生的影响很微小,可忽略不计。在实验过程中,人为制作行星轮磨损故障并采集故障特征信号,然后使用希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang transform,HHT)信号处理方法对采集到的行星轮的故障振动信号进行提取,并分析HHT所得到的各阶固有模态函数(IMF)分量以及希尔伯特谱。从希尔伯特谱中能够分析得出齿轮磨损故障的周期,所得结果与理论值对比吻合良好,说明该方法能够有效地检测齿轮箱振动故障。
仪器、测量与计量 振动信号 故障诊断 自混合干涉技术 希尔伯特-黄变换 激光与光电子学进展
2022, 59(23): 2312002
北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100088
基于自混合干涉效应的太赫兹量子级联激光器(THz-QCL)相干测量系统是一种极其灵敏的传感系统。相比于传统的激光测速技术, 自混合干涉具有光路自准直、无需额外光电探测器和混频器等优势, 使系统的结构更加紧凑;而且, 使用太赫兹波进行相干测量, 有望提升测速上限。本文采用 THz-QCL的自混合干涉技术, 研究了系统对于两独立运动目标物的非线性动力学响应特性, 给出了自混合信号的多普勒频谱, 并通过频谱分析, 获得了两目标物的运动速率及方向。研究结果证实了利用 THz-QCL自混合干涉系统对目标物进行运动传感的可行性, 为高速运动的多目标物测速提供了新的技术手段。
量子级联激光器 自混合干涉 太赫兹 激光多普勒测速 Quantum Cascade Laser Self-Mixing interference terahertz laser Doppler velocimetry 太赫兹科学与电子信息学报
2022, 20(10): 985
基于传输矩阵理论及多模速率方程,研究了宽谱太赫兹量子级联激光器在不同光反馈强度下的自混合动力学特性。研究发现,在弱反馈下光场自混合对激光器光谱特性影响很小;反射物位置移动时的自混合信号呈正弦规律变化,同时自混合信号幅度随反射物位置的变化表现出周期性调制现象。宽谱量子级联激光器在弱反馈下可以应用于测距、成像及光谱测量。在强反馈下,宽谱激光器光谱受自混合影响显著,并有新的模式在原自由运行模式附近出现;但随着反射物移动,自混合信号波峰个数同弱反馈条件下一致,可正确描述反射物的移动规律。因此,强反馈下宽谱量子级联激光器仍可在一定条件下实现微米级的测距和成像技术。这一研究将有助于发展基于宽谱太赫兹量子级联激光器自混合现象的传感器应用。
太赫兹 量子级联激光器 自混合 宽谱激光器 传输矩阵 terahertz quantum cascade lasers self-mixing interference broadband lasers transition matrix 太赫兹科学与电子信息学报
2022, 20(4): 297
1 暨南大学理工学院光电工程系,广东 广州 510650
2 广东交通职业技术学院信息学院,广东 广州 510650
3 暨南大学华文学院,广东 广州 510650
激光自混合干涉在测量时容易受到噪声的干扰,从而影响测量的精度和稳定度。为此,在利用双光反馈提高自混合干涉信号信噪比的基础上,结合随机偏振激光自混合干涉双偏振差分探测技术,进一步降低系统噪声。实验结果表明,双光反馈与双偏振差分结合使用,可将自混合干涉信号的信噪比提高7 dB。因此,所提方法和技术在自混合干涉测量中具有良好的应用价值。
物理光学 自混合干涉 双光反馈 双偏振 差分降噪 激光与光电子学进展
2022, 59(11): 1126001
Author Affiliations
Abstract
1 College of Electrical and Information Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China
2 School of Physics Science and Technology, Lingnan Normal University, Zhanjiang 524048, China
3 School of Instrumentation Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China
An improved self-mixing grating interferometer based on the Littrow structure has been proposed in this Letter to measure displacement. The grating is integrated inside the interferometer to reduce the impact on the vibration parameters of the object caused by the grating attached to the vibrating object. The st diffracted light returns to the laser cavity after being reflected by the target object, and self-mixing interference occurs. The displacement can be reconstructed by processing the self-mixing signals. The feasibility of the proposed interferometer is demonstrated by experimental measurements, and results show that it can achieve micro displacement measurement with the maximum absolute errors of less than 50 nm.
displacement sensor self-mixing interferometer diffraction grating Chinese Optics Letters
2021, 19(10): 101402