浙江理工大学 信息科学与工程学院，浙江杭州310018
针对激光外差干涉仪测量过程中测量镜随被测对象旋转而导致的位移测量误差，提出了一种基于卡尔曼滤波的激光外差干涉位移测量补偿方法。根据测量镜转角和测量光束光斑位置变化对应关系，利用位置敏感探测器（PSD）和位置电压信号卡尔曼滤波方法测得降噪后的光斑位置变化，从而获得更为准确的转角测量结果，最后根据转角与位移的解耦数学模型利用测得的转角进行位移补偿。为验证滤波算法和位移补偿方法的可行性和有效性，搭建激光外差干涉测量实验装置，分别进行光斑位置稳定性测量实验、角度测量验证实验和激光外差干涉位移测量补偿实验。实验结果表明：经卡尔曼滤波降噪后系统装置测得的光斑位置抖动标准差从0.52 μm降至0.18 μm，测量的转角与索雷博六自由度转台的转角偏差在±1.38×10-4°内，对M-531.DD线性导轨200 mm量程内的位移和转角进行测量，将测得的转角进行位移补偿后，系统的位移测量结果与M-531.DD线性导轨位移的标准差从1.55 μm减小到0.29 μm。
激光外差干涉 位移测量 误差补偿 卡尔曼滤波 laser heterodyne interferometry displacement measurement error compensation Kalman filtering
1 上海理工大学健康科学与工程学院，上海 200093
2 上海理工大学医用光学仪器与设备教育部重点实验室，上海 200093
3 北京大学长三角光电科学研究院，江苏 南通 226010
4 上海理工大学光学仪器与系统教育部工程中心，上海 200093
光声信号的传统检测方法是基于超声技术，这样接触式的信号探测方式增加了交叉感染的风险，不利于临床应用。采用纯光学技术的光声成像可提升检测精度和临床舒适度，具有较强的临床应用价值。设计了采用调Q Nd∶YAG脉冲激光器作为激励源的光声信号激发系统，选用双频He-Ne激光器作为探测源采集光声信号，搭建的外差干涉系统产生携带光声信号特征的拍频信号，利用I/Q正交法解调出光声信号。首先通过超声换能器模拟振动信号验证系统性能，实验结果表明光声信号探测系统能较好地还原出超声振动信号，且与水浸探头相比，振动频率的相对测量误差只有0.04%，绝对差值为0.2 kHz。然后以碳棒和离体生物组织作为样品，利用短脉冲光激励诱导光声信号，采用本系统和超声探头进行信号探测，对比分析结果显示所搭建的外差系统在检测带宽内可以实现光声表面振动波的非接触、高精度探测。
生物光学 外差干涉 光声信号 I/Q正交法 非接触式探测
红外与激光工程
2023, 52(11): 20230134
1 清华大学精密仪器系，北京 100084
2 清华大学精密测试技术及仪器全国重点实验室，北京 100084
3 陆军装备项目管理中心，北京 100072
在空天探索领域，空间引力波探测是当前国际研究热点，核心技术是测量相距数百万千米的两测试质量间的平动转动等多个自由度，探测灵敏度需要在1 mHz~1 Hz频段达到~1 pm/Hz1/2以及~1 nrad/Hz1/2水平。目前，激光干涉是实现如此远距离的两个物体之间多自由度测量的最精密的手段，本文介绍了面向空间引力波探测的激光外差多自由度超精密测量技术，概述了其光路结构、测量原理、相位信号处理方法，回顾了近三十年国内外相关研究进展，并分析了空间引力波探测中外差干涉测量的噪声源作用机制以及相关研究进展。最后，对激光外差干涉多自由度超精密测量技术的发展趋势和前景作了展望。
测量 空间引力波探测 激光外差干涉 多自由度测量 差分波前传感 激光与光电子学进展
2023, 60(3): 0312006
北京工业大学材料与制造学部北京市精密测控技术与仪器工程技术研究中心，北京 100124
测量分辨率和精度的不断提高是激光外差干涉测量的发展趋势，而抑制激光外差干涉测量精度进一步提升的主要因素是周期性非线性误差。提出了一种基于连续小波变换的激光外差干涉非线性误差补偿方法。对非线性误差函数进行Morlet小波变换，利用小波系数矩阵信息提取小波脊线，分析小波脊线上的特征信息，重构一次谐波非线性误差；利用最小二乘非线性拟合方法迭代拟合出二次谐波非线性误差。实验结果表明，将此方法应用于激光外差干涉测量系统中，非线性误差分量由5.97 nm减小到1.09 nm，非线性误差分量减小至原来的18%。该方法可有效抑制非线性误差的影响，并提高激光外差干涉测量的精度。
测量 激光外差干涉 非线性误差 连续小波变换 最小二乘非线性拟合 中国激光
2022, 49(21): 2104006
1 中北大学 信息与通信工程学院, 太原 030051
2 中北大学 电子测试技术国家重点实验室, 太原 030051
为了对液晶空间光调制器进行高精度的校准, 使其满足线性相位调制的应用需求, 采用共路外差干涉法测量了液晶空间光调制器的相位调制特性, 分析了实验系统的测量原理, 取得了液晶空间光调制器相位调制量随输入灰度值变化的实验数据, 并进行了线性校准。结果表明, 实验中所用的液晶空间光调制器的最大相位调制量为2.55π, 利用反插值法对20~240灰度范围内的相位调制曲线进行线性校正后的理论相位调制曲线非常接近理想线性曲线, 相位调制曲线与理想线性调制曲线的相关系数可达0.9996; 该测量方法可克服传统测量方法对图像处理的依赖性, 具有较高的测量精度, 相位调制量直接通过锁相放大器就可获得。该研究为基于液晶空间光调制器的高精度波前校正和精密测量提供了参考。
测量与计量 液晶空间光调制器 共路外差干涉 相位调制 measurement and metrology liquid crystal spatial light modulator common-path heterodyne interferometry phase modulation
哈尔滨工业大学 超精密光电仪器工程研究所 & 超精密仪器技术及智能化工业和信息化部重点实验室(哈尔滨工业大学), 黑龙江 哈尔滨 150001
为了实现平面二自由度位移测量, 设计并搭建了空间分离式外差二自由度平面光栅干涉仪, 并对所设计的光栅干涉仪的光学结构、测量原理、面内旋转安装误差补偿等进行了研究。基于平面光栅衍射特性和空间分离式外差光栅干涉结构设计并搭建了具有对称性的测头光路, 结合实际光学器件的特点, 利用琼斯矩阵分析了二自由度测量原理与显著降低周期非线性误差的特性。通过实验测定了光栅面内旋转安装误差以便于应用旋转矩阵对测量数据进行解耦。随后利用矩形和圆形轨迹分别验证了两测量轴在各自和同时运动的情况下, 所设计的平面光栅干涉仪的测量能力。实验结果表明, 在解耦补偿0.350°的光栅实际面内旋转安装误差的前提下, 该空间分离式外差二自由度平面光栅干涉仪能够实现压电位移台30 μm内的位移测量, 主要由机械振动等因素引起的误差不超过0.15 μm。本研究将空间分离式外差光栅干涉仪的测量维度拓展到了平面二自由度。
光栅干涉 空间分离外差干涉 二自由度 位移测量 grating interferometry spatially separated heterodyne interferometry two degree of freedom displacement measurement
1 上海理工大学医疗器械与食品学院生物医学光学与视光学研究所, 上海 200093
2 上海理工大学光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
眼轴长度与屈光不正、白内障等常见眼科疾病有密切关系, 精确测量眼轴长度对眼科疾病的预防及治疗具有重要的意义。为实现眼轴长度安全有效的光学测量, 入射光强度不能超过安全限度, 同时人眼眼底反射出来的光只有入射光的 10.3～10.4。为此基于光学方法的眼轴长度测量的弱光探测, 设计了一种基于外差干涉测量的眼轴长度测量系统。测量系统硬件部分采用 PIN光电二极管将弱光信号转化成易于处理的弱电信号, 同时设计一个低噪声、高性能的弱信号处理电路, 并选用 Max 10系列的 10M25SAE作为主控芯片处理信号; 软件部分采用 VHDL语言进行编程。实验结果表明, 该测量系统可以对眼轴长度实现有效且稳定的测量。
眼轴长度 弱信号 外差干涉 测量 axial eye length weak signal heterodyne interferometry measurement
北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100089
激光线宽对光学相干探测系统的探测范围、精度和噪声特性都有重要影响。为精确测量半导体激光器的线宽值, 提出了通过解调短延时自外差的干涉谱来实现高精度窄激光线宽测量的新方法。搭建短延时的自外差干涉测量系统, 得到半导体激光器的干涉谱, 通过设计算法对干涉谱的相干包络进行解调, 最终获得了严格的洛伦兹线型谱和相应的谱线宽度, 通过理论分析、仿真和实验验证了该方法的可行性。该方法可以忽略因1/f频率噪声产生高斯展宽带来的影响, 与传统线宽测量方法相比, 该方法的测量结果更加精确。
半导体激光器 线宽测量 自外差干涉 相干包络解调 窄线宽 semiconductor laser linewidth measurement selfheterodyne interferometry coherent envelope demodulation narrow linewidth
