西安工业大学光电工程学院陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室，陕西 西安 710021
提出一种可用于非球面面形检测的同步环带子孔径干涉（SASI）检测方法。该方法利用双焦点透镜形成两个测量波前来匹配非球面不同子孔径区域，进而实现非球面的同步环带子孔径干涉测量。分析SASI检测非球面面形的原理，确定双焦点透镜的焦点间距选取原则，建立子孔径的基准统一模型，通过光学追迹软件辅助建模和坐标变换实现子孔径基准统一与非球面面形重构。结合实例对一个口径为90 mm、顶点曲率半径为317 mm的抛物面进行面形检测实验，SASI方法面形重构结果与Luphoshcan方法检测结果的对比，验证了SASI方法的正确性。该方法在一定程度上扩大了干涉仪直接检测非球面的动态范围，且无需复杂的运动机构就可以同步得到被测非球面两个子孔径区域的干涉图样，加快了检测速度、降低了运动误差对测量精度的影响。
物理光学 干涉测量 非球面检测 非零位测量 同步环形子孔径
上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240
由于菲涅耳结构存在较大倾角且离线测量会引入原点误差，为实现菲涅耳微结构的超精密在位测量，构建了基于点自动对焦传感器的在位测量系统，并研究开发了配套的位置标定与温度补偿算法。首先，对于测量结果的核心影响因素——温度进行相关性分析，并通过高斯过程对其进行补偿，使得测头测量误差下降至未补偿前的39%；其次，为保证测头扫描路径通过所测微结构中心，以避免曲面重构过程中引入对齐误差，在测量前利用标准球面对测头的位姿进行预标定；最后，利用该套设备对菲涅耳微结构进行测量并分析了测量结果。实验结果表明，所组建的系统相比基于光谱共聚焦的在位测量系统能够更有效地评估菲涅耳结构形貌，相比离线白光干涉测量系统可获得更精准的结果。
测量 在位测量 菲涅耳微结构 高斯过程 温度补偿 光学学报
2023, 43(13): 1312004
为了测量液位在警戒值附近变化的情况, 采用新款光纤熔接机制作了一种基于锥形结构的长周期光纤光栅测量液位的光纤传感器, 对传感器进行了理论分析, 搭建了液位传感实验系统, 根据传感器对外界环境的折射率灵敏度, 测量浸没在液体中的光纤长度。结果表明, 在0 mm~12 mm的液位测量范围内, 光纤液位传感器的峰值波长灵敏度和透射功率灵敏度分别是0.700 nm/mm和1.377 dB/nm。该传感器对液位变化测量较为准确, 且采用刻栅方式可有效解决传统长周期光纤光栅中存在的非对称模耦合和偏振依赖性高等问题, 同时具有制作简单、成本低和应用前景广泛等优点。
光纤光学 光纤传感器 长周期光纤光栅 液位测量 光纤熔接机 fiber optics optical fiber sensor long period fiber grating level measurement optical fiber fusion machine
中国海洋大学信息科学与工程学院, 山东 青岛 266100
海洋与大气交换的CO2通量是研究海-气之间碳循环过程及海洋酸化问题的重要指标, 其估算方法主要依赖于海水中CO2的测量。 可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)作为一种常用的气体浓度检测技术, 因其具有较好的环境适应性、 选择性和较高的灵敏度, 亦可发挥出水中溶存气体原位测量的潜力。 为验证将TDLAS技术应用到海洋中溶存CO2原位探测的可行性, 将渗透膜脱气技术与实验室研发的TDLAS气体探测样机相结合, 实现了海水中溶存CO2的原位探测。 为适应水下的复杂环境, 样机整体被设计为铝合金密封舱结构, 具有良好的密封性、 耐压性与耐腐蚀性。 激光光源采用中心波数位于4 990 cm-1的DFB激光器, 其波数扫描范围为4 992~4 994.5 cm-1, 可覆盖CO2在4 992.51和4 993.74 cm-1的相邻两条吸收谱线。 渗透膜采用具有优秀耐压性与透气性的Teflon AF-2400 X, 可满足样机在深水区长期探测的目的。 为兼顾较高探测灵敏度与较快响应速率双重指标要求, 样机采用了一种小型化多次反射式气体吸收池, 有效吸收光程可达8 m, 内部仅需气体量24 mL, 具有良好的吸收特性。 在实验室对样机进行校正实验, 使用样机对5种不同浓度(202.8×10-6, 503×10-6, 802×10-6, 1 006×10-6和2 019×10-6)的标准CO2气体进行测量, 测量值与实际值的线性相关度R2高达99.94%, 最大相对误差小于8%, 减小了样机误差对测量值的影响。 为评估样机长时间工作的稳定性, 使用样机对浓度为802×10-6的标准CO2气体进行了30 min的连续测量, 平均测量浓度为802.6×10-6, 其波动范围仅为10×10-6, 样机精度约为0.5%, 可满足水中溶存气体探测的要求。 选取水深3米的近海码头进行试验, 成功获得了24 h水中CO2的典型吸收光谱及浓度时间序列测量结果, 验证了样机水下工作的能力与稳定性。 通过在东海海域五处不同深度的区域进行现场试验, 成功获取溶存CO2的典型吸收光谱, 证明了结合渗透膜脱气技术的TDLAS探测样机在30 m以浅水域的工作适应性。
溶存CO2气体 可调谐半导体激光吸收光谱 渗透膜 原位测量 Dissolved carbon dioxide gas Tunable diode laser absorption spectroscopy Permeable membrane In-situ measurement 光谱学与光谱分析
2022, 42(4): 1264
中国科学院声学研究所 北海研究站, 山东 青岛 266112
该文对标ITC-1007与ITC-1032球形换能器, 为海底沉积声学测量系统研制了两款中低频球形换能器(SP32K和SP12K)。通过理论及有限元方法对换能器进行仿真设计, 制作换能器样机并对其进行了性能测试。低频球形换能器(SP12K)的谐振频率约为12 kHz, 工作频带为2~20 kHz, 最大发射电压响应为149 dB。中频球形换能器(SP32K)的谐振频率约为32 kHz, 工作频带为15~50 kHz, 最大发射电压响应为149 dB。实验结果表明, 研制的中低频球形换能器与国外同类产品相比, 性能基本一致, 满足相关声学测量需求, 这为研制中低频海底沉积声学原位测量系统等声学装备提供了有力支撑。
海洋地球物理 海底沉积声学 原位测量 球形换能器 低频换能器 marine geophysics marine sediment acoustics in-situ acoustic measurement spherical transducer low frequency transducer
采用MSC Marc软件建立了热力耦合有限元模型，分析了激光直接沉积过程中的温度与应力变形的演变过程。考虑高温下钛合金的应力松弛行为，通过多次迭代修正了材料本构方程。同时，基于热电偶与激光位移传感器开发了成形过程中的瞬态实时测量装置，对钛合金薄壁件实际成形过程中的温度和变形进行了原位测量。对修正后的模型的模拟计算值和实测值进行比较与分析，结果表明：原位测量结果与模拟结果的温度误差仅为7.9%，变形误差为19.6%，基板变形的规律一致；沉积层总体呈拉应力状态，主应力方向与沉积方向一致。
激光光学 激光直接沉积 原位测量 热力耦合模型 残余应力与变形 有限元方法 激光与光电子学进展
2022, 59(11): 1114007
红外与激光工程
2022, 51(3): 20210299
提出一种基于调频连续波干涉测量技术的膜片式法布里-珀罗（F-P）腔液位传感器。根据调频连续波干涉技术液位测量体系理论制作液位传感器，搭建液位测量系统，并对其进行线性度、灵敏度和分辨率等测试。实验结果表明，调频连续波液位传感器液位测量的线性度为0.99998，液位测量的灵敏度为465 nm/mm，分辨率约为33.998 nm，对应的液位值为0.0731 mm，而且具有很好的稳定性、重复性和迟滞性。因此，所设计的调频连续波光纤液位传感器可以实现高精度且稳定的液位测量。
激光光学 调频连续波激光干涉 法布里-珀罗（F-P）腔干涉仪 膜片压力原理 光纤液位传感头 液位测量 激光与光电子学进展
2021, 58(7): 0714009
复旦大学上海超精密光学制造工程技术研究中心，上海 200438
复杂光学曲面的在位测量是当前精密工程领域面临的重要难题。偏折术对光学曲面的测量精度可与干涉仪相比, 而且拥有更高的测量效率、稳定性及动态范围, 因此具有广阔的应用前景。但是偏折测量本质上是一个标定问题, 其测量精度直接取决于几何标定的可靠性。本文结合单点金刚石切削机床设计了原位偏折测量系统, 采用机床中自带的气浮转台安装辅助反射镜, 在两个姿态下进行光线追迹, 通过数值优化计算各元件之间的相对位置, 将标定精度提高一个数量级。根据反向投影偏差的统计规律, 可有效分离工件的面形偏差与位姿误差。该方法有效利用了工件的名义面形信息, 将传统的位置 -面形单向映射转变为双向映射, 显著提高了在位测量的灵活性与效率。对于复杂的自由曲面, 采用子孔径拼接测量方法, 对待测的局部区域发展了精准定位技术, 有效保证了迭代重构过程的正确收敛。采用离轴抛物镜等光学曲面进行实验验证, 所提出的偏折测量方法的精度优于 150 nm RMS。
光学制造 在位测量 偏折术 几何标定 光线追迹 optical manufacturing in-situ measurement deflectometry geometrical calibration ray tracing
