李坤钰 1,2,3李克武 2,3刘坤 1,2,3王志斌 1,2,3,*
作者单位
摘要
1 中北大学仪器与电子学院,山西 太原 030051
2 中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心,山西 太原 030051
3 中北大学前沿交叉科学研究院,山西 太原 030051
Overview: Overview: Photoelastic modulator, a high-quality thermo-mechanical coupling device composed of isotropic elastic optical crystal and piezoelectric crystal, is widely used in polarization measurement, spectral measurement, and many other fields. A high-voltage resonant circuit is adopted to generate the periodically changing high voltage amplitude, which is applied to both ends of the piezoelectric crystal to drive the photoelastic modulator to perform forced telescopic vibration, thus generating periodic birefringence. Although the quality factor of the photoelastic modulator is as high as 103, the photoelastic crystal in the photoelastic modulator will vibrate in length under the action of the piezoelectric crystal when driven by the high voltage. In addition, there will be thermal dissipation caused by dielectric loss and mechanical loss, some of which exchange heat with the environment, and the rest will raise the temperature of the photoelastic modulator itself. When the heat exchange between the photoelastic modulator and the external environment is happened before the heat balance, the resonant frequency will be changed, which will lead to the reduction of the modulator driving efficiency and the instability of the modulation amplitude. Standing from the perspective of mechanical point, the system can be equivalent to the vibration model of a damped spring-mass system. The system is an underdamped second-order system, and the modulator can also be equivalent to a RLC series resonant circuit from the electrical perspective. Therefore, when the temperature of the modulator changes, its electrical parameters and resonat will also vary. Therefore, this paper first analyzes the resonant frequency characteristics of the photoelastic modulator from the perspective of electricity, and establishes the equivalent circuit model of the photoelastic modulator and the composite resonant network model with the high-voltage resonant drive circuit. Meanwhile, the resonant network is analyzed, and the results show that when the phoyoelastic is in the resonant state, the modulator impedance and the inductance voltage amplitude of the high-voltage resonant circuit are both the smallest. Therefore, this paper designs a control and test system based on field programmable gate array (FPGA) by combining the above mentioned characteristic and applying the amplitude and frequency characteristics of the resonant network. FPGA completes the measurement of the inductance voltage amplitude and the demodulation of the photoelastic modulation signal through the digital phase-locked amplifier. After obtaining the inductance voltage amplitude, the real-time tracking of the minimum value of the inductance voltage amplitude can be obtained by FPGA, so that the tracking of the resonant frequency of the photoelastic modulator can be realized. By demodulating the modulated signal, the calibration optical path system of the photoelastic modulator is also capable of measuring the modulation amplitude of the modulator. Finally, this paper successfully builds the test system, and conducts the frequency sweep test to verify the feasibility of the resonance tracking system. The resonance tracking tests on the modulator are implemented at room temperature - 20℃ & 80℃ respectively. The results show that the test meets the requirements, and the maximum standard deviation of modulation amplitude is lower than 0.83% rad.
弹光调制器 频率跟踪 相位调制幅度 幅频特性 photoelastic modulator frequency tracking phase modulation amplitude amplitude-frequency characteristics 
光电工程
2023, 50(4): 220249
臧晓阳 1,2,3李克武 2,3王志斌 1,2,3,*李坤钰 1,2,3[ ... ]刘坤 1,2,3
作者单位
摘要
1 中北大学仪器与电子学院,山西 太原 030051
2 中北大学前沿交叉科学研究院,山西 太原 030051
3 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心,山西 太原 030051
快轴可调弹光调制器(FaaPEM)不仅具有调制频率高、通光孔径大、抗震性能好等优势,同时还弥补了传统弹光调制器相位延迟量和快轴方位角无法灵活调节的不足,在偏振调制以及偏振测量中发挥着重要的作用,FaaPEM是由两个压电驱动器和弹光晶体构成的谐振型光机电器件,在高压谐振状态下,因其自身的温度升高会导致弹光晶体谐振频率与驱动电压的频率不匹配,极大地影响了对于入射光的调制效率。为了确保FaaPEM在工作时的调制能力和稳定性达到最优效果,开展了FaaPEM的稳定闭环控制研究,提出了基于调制信号跟踪和相位调节的闭环驱动控制方法,并对FaaPEM稳定性进行了测试。测试结果表明:该系统加载反馈控制后,半波状态下稳定度达到4.18%,四分之一波状态下稳定度达到3.43%。
物理光学 快轴可调弹光调制器 频率温漂 数字锁相技术 反馈控制 
激光与光电子学进展
2023, 60(7): 0726003
刘梓良 1,2,3,4,*王志斌 2,3,4李克武 2,3,4李晋华 2,3,4[ ... ]李坤钰 2,3,4
作者单位
摘要
1 中北大学 理学院, 山西 太原 030051
2 中北大学 前沿交叉科学研究院, 山西 太原 030051
3 中北大学 南通智能光机电研究院, 江苏 南通 26000
4 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心, 山西 太原030051
弹光调制器利用各向同性晶体受迫振动后产生的双折射效应, 对入射的偏振光进行相位调制, 在偏振调制及测量方面具有重要应用。弹光调制器的相位延迟是其关键指标参数, 实际应用时需对驱动电压与相位延迟进行标定。但传统的弹光调制器定标系统中的元件体积较大, 且在使用前完成标定, 误差大。为了使弹光调制系统能够实现实时定标, 达到精确定标的目的, 同时提高使用的便捷性, 提出一种弹光调制器精确定标微系统设计, 通过缩小定标系统元件的尺寸, 集成固定在弹光调制器通光孔径边缘, 实现相位延迟实时标定。经实验验证, 弹光调制器定标微系统的能够在不影响中心光路情况下, 实时精确标定弹光调制器的相位延迟, 实验测试了1h相位延迟定标, 定标结果表明相位延迟偏差小于1%。
光学测量 弹光调制器 精确定标 相位调制 数字锁相技术 optical measurement photoelastic modulator precise calibration phase modulation digital phase-locked technique 
光学技术
2022, 48(1): 8
梁振坤 1,2,3李晓 1王志斌 1,2,3,*李克武 1,2,3臧晓阳 1,2,3
作者单位
摘要
1 中北大学电气与控制工程学院, 山西 太原 030051
2 中北大学前沿交叉科学研究院, 山西 太原 030051
3 中北大学南通智能光机电研究院, 江苏 南通 226000

弹光调制技术以调制精度高、效率高以及光谱范围宽等优势,应用于光通信、偏振分析、光谱分析等诸多领域,然而弹光调制器(PEM)作为一种高品质因数的热-机-电耦合谐振器件,在高压谐振状态下,其谐振频率会随着温度变化发生严重偏移,从而导致驱动效率与调制效率降低。根据弹光调制器的振动模型,分析了导致弹光调制器温漂的影响因素,提出了基于调制信号跟踪和幅值调节的弹光调制器闭环驱动控制方法,通过测试验证了入射光波长为632.8 nm时半波与1/4波状态下的稳定控制,半波状态下的相位调制幅值精度达到0.82%,1/4波状态下的相位调制幅值精确度达到0.44%。

测量 相位调制 弹光调制器 数字锁相技术 温漂模型 反馈控制 
中国激光
2021, 48(11): 1104001
张敏娟 1,2刘文敬 1,2王志斌 2徐美芳 1,2[ ... ]李春阳 1,2
作者单位
摘要
1 中北大学 信息与通信工程学院,山西 太原 030051
2 中北大学 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心,山西 太原 030051
弹光调制器作为高Q值的谐振器件,在高压谐振下,其谐振频率将随着自身温度升高漂移,影响了弹光调制干涉仪的稳定性和重建光谱的准确性。在建立弹光调制器振动模型和频率温漂模型的基础上,提出了基于频率跟踪和幅值调节的弹光调制器双闭环自适应驱动控制方法。在该方法中,采用数字锁相技术的频率自扫描方法实现驱动频率对弹光调制器谐振频率的跟踪;基于检测参考激光干涉图的最大光程差的变化调节驱动信号的幅值,以实现重建光谱的稳定控制,同时基于参考激光的最大光程差参数实现重建光谱的定标。在实验中该驱动控制方法应用到弹光调制傅里叶变换光谱仪中,实现了驱动频率对弹光调制器谐振频率的实时跟踪和高压功放电路的幅值调节,使得干涉图的最大光程差稳定在0.236 nm左右,其精密度为3.3%;重建光谱的最大相对误差为2.5%。此实验验证了该方法能有效稳定弹光调制傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率。
弹光调制器 频率温漂 数字锁相技术 最大光程差 photo-elastic modulator (PEM) frequency drifting along with temperature digital phase-locking technology maximum optical path difference 
红外与激光工程
2020, 49(10): 20200019
张瑞 1,2,3,*陈媛媛 1,2,3景宁 1,2,3王志斌 1,2,3[ ... ]解琨阳 1,2,3
作者单位
摘要
1 中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心, 山西 太原 030051
2 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051
3 中北大学电子测试技术重点实验室, 山西 太原 030051
提出了一种基于双弹光差频调制的中红外相位延迟精确测量方法。通过两个硒化锌型弹光调制器(PEM)的差频降低系统调制频率,产生载有被测相位延迟的低频调制信号,调制后的1倍差频幅值和2倍差频幅值相除可求得被测波片的相位延迟。该方法可有效抑制光强波动及PEM相位延迟波动对测量的影响,提高测量精度。对测量原理进行了理论推导,设计了硒化锌型PEM和实验系统。实验结果表明,相位延迟测量误差不大于0.004%,灵敏度可达5×10 -4 rad。
测量 弹光调制器 差频调制 相位延迟 高精度 
光学学报
2019, 39(3): 0312002
王爽 1,2韩燮 1李晓 2,3王志斌 2[ ... ]陈媛媛 2
作者单位
摘要
1 中北大学 大数据学院, 山西 太原 030051
2 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心, 山西 太原 030051
3 中北大学 电气与控制工程学院, 山西 太原 030051
为了实现椭偏参量ψ和Δ的高速、高灵敏测量, 建立了一种测量成本低、重复性好和便于工业化集成的椭偏测量方案。本文对弹光调制型椭偏参量测量系统进行了原理分析, 针对弹光调制器的工作模式及调制光信号特点, 设计了基于现场可编程门阵列的数字锁相数据处理方案。现场可编程门阵列提供弹光调制器工作的信号源, 并控制AD采样; 同时产生正弦和余弦参考序列, 并完成直流项、一倍频项和二倍频项的同相分量和正交分量的提取, 进而求解出椭偏参量。利用搭建的试验系统对SiO2薄膜厚度为3.753 nm的硅片样品进行了实验分析。实验结果表明, 采样时间为20 ms时, 椭偏参量ψ和Δ的平均值分别为9.622°和168.692°, 标准偏差分别为0.005°和0.008°;采样时间设置为200 ms时, 椭偏参量测量平均值与20 ms的非常接近, 标准偏差减小, 并且都在0.001°量级, 揭示了本系统具有较高的灵敏度和较好的重复性。
椭偏参量 椭偏仪 弹光调制器 数字锁相数据处理 ellipsometric parameters ellipsometry photoelastic modulation digital phase-locked data processing 
光学 精密工程
2018, 26(6): 1314
李克武 1,2,3,*王黎明 2,3王志斌 1,2,3张瑞 1,2,3[ ... ]张敏娟 1,2,3
作者单位
摘要
1 中北大学电子测试技术重点实验室, 山西 太原 030051
2 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心, 山西 太原 030051
3 中北大学信息与通信工程学院, 山西 太原 030051
为了进一步理解弹光调制器(PEM)的静态双折射和圆二色性,深入研究了PEM 偏振特性。运用Muller矩阵分别描述弹光调制、静态双折射和圆二色性的偏振特性,建立了同时考虑静态双折射和圆二色性的PEM 偏振特性模型;对该模型进行理论分析和仿真分析;搭建实验装置并进行了偏振调制实验。实验结果表明理论分析正确合理,PEM 的偏振特性应为微小静态双折射、弹光调制和微弱圆二色性效应的组合。此外,还精细测量了其中一个PEM样品的圆二色性值为2.755 × 10-2 ,静态双折射的相位延迟值b = 5.73 × 10-2 rad 和方向角α = 3.96° 。较全面地给出了PEM 偏振特性的一般Muller矩阵描述,扩充了弹光偏振调制方面的知识。
物理光学 偏振特性 弹光调制器 静态双折射 圆二色性 
光学学报
2016, 36(3): 0326001
作者单位
摘要
1 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051
2 中北大学信息与通信工程学院, 山西 太原 030051
3 中北大学电子测试技术国家重点实验室, 山西 太原 030051
为了提高弹光调制器在高压驱动下的工作效率,以提高傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率,在建立弹光调制器的损耗模型和振动方程的基础上,描述了包含损耗因数的弹光调制器幅频特性,并推导了谐振和反谐振频率下弹光调制器的品质因数。结合压电材料的电致伸缩效应及其损耗,分析了高压驱动下各损耗因数之间的关系,提出了一种较谐振驱动具有更高品质因数和调制深度的反谐振驱动方法。实验验证,当驱动电压在500~1200 VP-P范围内,反谐振驱动方法较传统的谐振驱动方式,品质因数和调制深度均提高了43%,有效地提高了弹光调制器的工作效率。
光学器件 弹光调制器 品质因数 谐振 反谐振 调制深度 
中国激光
2015, 42(4): 0415002
作者单位
摘要
中北大学 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心,太原 030051
为了在成像光谱偏振仪中应用近红外焦平面阵列探测器, 得到高质量图像信息, 结合新型弹光调制型成像光谱偏振探测技术(PEM-ISP), 提出了一种基于近红外焦平面阵列探测器的成像光谱偏振探测技术。系统采用FPA-640×512 InGaAs焦平面阵列探测器作为光学探测接收元件, 采用高速现场可编程门阵列(FPGA)作为信号处理单元, 做到对光学信号的快速采集与并行处理, 满足高速、实时的信号传输与处理技术等要求。将经高速A/D采集得到的数据存储到FPGA外扩的静态随机存储器中, 以保证数据的完整性。数据最终通过通用串行总线传至上位机, 上位机通过LabVIEW实现图像还原。结果表明,该系统可以应用于PEM-ISP中, 实现对测量信号的精确探测与采集, 并得到完整的图像信息。
成像系统 弹光调制器 成像光谱偏振探测技术 现场可编程门阵列 imaging system three bombs light modulator imaging spectrometer polarization detection techni field-programmable gate array 
激光技术
2014, 38(6): 822

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