1 中国科学院微电子研究所,北京 100029
2 中国科学院大学,北京 100094
相位光栅位置测量系统是实现超精密制造的核心,自参考干涉信号对比度是影响相位光栅位置测量精度的重要因素之一,而光束偏振特性直接决定了自参考干涉信号的对比度。采用琼斯矩阵和矢量形式反射定律,对自参考干涉仪棱镜中的传输光束进行了偏振追迹,构建了相位光栅位置测量系统的琼斯矩阵模型,并用物理光场数值分析软件VirtualLab验证了该模型的准确性。基于该模型分析了偏振分光面消光比、入射光偏振态及棱镜光程差对自参考干涉信号对比度的影响,结果表明,在波长为λ的照明光束下,为保证干涉信号对比度优于0.98,偏振分束镜的消光比需大于122,入射光椭偏角ψ和椭圆度tan ε分别在(0.693 rad,0.878 rad)和(-0.093,0.093)范围内,棱镜光程差需控制在(-0.03λ,0.03λ)范围内。综合考虑后,要求入射光椭圆度的取值范围为0.531δ±0.087(δ为自参考干涉仪棱镜的相位差)。该分析结果可为相位光栅位置测量系统中光束偏振特性的调控补偿提供理论依据,对提高自参考干涉信号对比度及相位光栅位置测量系统的精度具有重要意义。
物理光学 偏振 自参考干涉仪 琼斯矩阵 干涉信号对比度 激光与光电子学进展
2021, 58(23): 2326002
1 中国电子科技集团公司第三十八研究所, 安徽 合肥 230088
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 安徽省环境光学监测技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
应用傅里叶变换红外光谱法进行在线工业窑炉高温气体监测时,湍流形成的噪声会影响光谱信噪比和浓度反演的精度。研究新的红外干涉信号-光谱转换的数据处理方法,该方法与传统傅里叶变换的光谱数据处理方法不同,它以零光程差为基准对齐干涉信号,实现多次扫描干涉信号的平均,同时采用复数窗函数与光谱数据卷积的方法来降低光谱旁瓣引起的光谱混叠程度。这种数据处理算法可以减小湍流噪声对气体浓度反演的影响,提高反演精度,减少计算量,提高光谱数据率。以叠加湍流的一氧化碳被动测量实验为例,分析了采用不同数据处理方法得到的光谱信噪比、光谱相关性和浓度反演结果。分析结果表明研究的信号数据处理方法在湍流噪声存在的在线检测中优于传统数据处理方法,采用新的数据处理方法得到的光谱更加精确(光谱相关性更好),气体反演的浓度也更准确,同时可减少系统计算量并缩短系统在线测量的响应时间,这对于在线监测气体浓度的准确性是至关重要的。
光谱学 傅里叶变换红外光谱法 湍流噪声 干涉信号 数据处理方法 光学学报
2021, 41(17): 1730001
1 中国民航大学工程技术训练中心国家级实验教学示范中心,天津 300300
2 天津工业大学电气与电子工程学院,天津 300387
采样噪声对白光干涉信号Fourier频谱的各个频率均有影响,选用合适的滤波方法进行滤波将有助于提高白光干涉信号信噪比并获得更加准确的解算结果。构建了特定能量比例条件下的能量最集中约束条件,并建立了选取带通滤波器的代价方程。实验给出了白光LED照明条件下代价方程的部分计算过程和结果,代价方程取得最小值时表面粗糙度测量标准差仅为0.02 nm。最后在所选参数条件下对银膜反射镜和台阶结构进行了测量,结果表明所提方法具有较好的测量重复性和分辨率。
傅里叶光学 白光干涉信号 Fourier变换 包络线 代价函数 激光与光电子学进展
2021, 58(9): 0907001
1 海军工程大学电子工程学院, 湖北 武汉 430033
2 海军工程大学兵器工程学院, 湖北 武汉 430033
提出一种提取基于迈克耳孙干涉的弱反射光纤布拉格光栅(WFBG)时分复用系统中干涉信号的方法,以降低数据采集量并提高零差对称解调精度。对光强信号进行连续小波变换,寻找变换系数的极值,相邻的极小值和极大值用于界定激光干涉区间。针对不同宽度的激光脉冲工况,调整小波尺度因子,以寻找干涉区间,分别基于干涉区间内光强信号的最大值和平均值得到干涉信号,最后采用零差对称算法解调干涉信号的相位信号。将WFBG传感器放入振动液柱内,多次测量同一弱正弦信号,并对测量信号进行正弦曲线拟合。拟合结果显示采用连续小波变换提取短脉冲干涉区间并以平均值法计算干涉信号有助于提高该传感系统的零差对称解调精度。
传感器 光纤布拉格光栅 弱反射 干涉信号 连续小波变换 激光与光电子学进展
2020, 57(19): 190603
西安工业大学光电工程学院, 陕西 西安 710021
为提高复合式光纤法布里-珀罗传感器的相关解调分辨率,提出了一种基于新型复合式光楔的非扫描相关解调系统。根据所解调复合式光纤法布里-珀罗传感器各腔体光学厚度变化范围,沿线阵CCD像素点排布方向,设计了分段式不同倾角和厚度范围的空气间隙式光楔结构,实现了多个法布里-珀罗腔腔长的复合同步解调。针对基底腔和空气腔腔长分别为600 μm和80 μm的复合式光纤法布里-珀罗传感器,设计了复合式光楔,仿真并分析了其解调性能。结果表明,采用基于复合式光楔的非扫描相关解调方案,可以实现光学厚度差异较大的多法布里-珀罗腔构成的复合式光纤法布里-珀罗传感器的同步高精度解调,腔长解调分辨率优于单光楔解调。
光纤光学 光纤法布里-珀罗传感器 光楔 非扫描相关解调 相关干涉信号 激光与光电子学进展
2019, 56(13): 130603
1 西安工业大学光电工程学院, 陕西 西安 710021
2 西北工业大学陕西省微/纳米系统重点实验室, 陕西 西安 710072
为了精确提取相关干涉信号的峰值位置,为光楔式光纤法布里-珀罗传感器的相关干涉解调机制提供理论借鉴,数值模拟了3种典型的光源光谱分布的相关干涉信号,并对所获得的相关干涉信号进行了详细的对比分析,综合讨论了不同光源光谱分布条件下,光谱带宽对相关干涉信号宽度、幅值以及对比度的影响。分析结果表明,当光源在光谱上具有高斯分布且带宽较大时,得到的相关干涉信号噪声较小、条纹更稀疏、信号对比度更高,更便于准确寻峰和实现高精度的解调。
光纤光学 光纤法布里-珀罗传感器 相关干涉信号 峰值位置 光谱分布 信号对比度 激光与光电子学进展
2018, 55(11): 110603
北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院 , 北京 100191
为了实现对宽谱光源自相干函数的测量, 必须对宽谱光源干涉信号的包络进行提取。因此, 宽谱光源干涉信号包络的提取就成为了测量光源自相干函数的关键因素。针对现有的包络解调方法的不足, 建立了基于复Morlet小波的干涉信号包络提取方法。该方法采用复Morlet小波作为母小波, 通过选择适合尺度参数和位置参数, 可以有效地提取干涉信号的包络并具有良好的抗噪能力; 利用计算机Matlab仿真证明了该方法的有效性; 最后利用该方法对韩国Fiber Pro公司的白光干涉仪干涉输出信号进行包络提取,动态范围达到-60 dB。
宽谱光源 Hilbert变换 Morlet小波 Morlet小波变换 干涉信号包络 broad spectrum Hilbert transform Morlet wavelet Morlet wavelet transform interference signal’s envelope