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Abstract
School of Electrical and Information Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China
In this Letter, we propose a simple structure of an orthogonal type double Michelson interferometer. The orthogonal detection method overcomes the problems of uneven ranging sensitivity and the inability of traditional interferometers to determine the displacement direction. The displacement measurement principle and signal processing method of the orthogonal double interferometer are studied. Unlike the arctangent algorithm, the displacement analysis uses the arc cosine algorithm, avoiding any pole limit in the distance analysis process. The minimum step size of the final experimental displacement system is 5 nm, which exhibits good repeatability, and the average error is less than 0.12 nm.
orthogonal detection nanoscale displacement measurement laser interferometer Chinese Optics Letters
2023, 21(10): 101201
1 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
2 长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心，吉林 长春 130022
引力波探测激光干涉仪对四象限探测器性能提出了较高的技术要求。为了提升四象限探测器光斑位置检测精度，搭建四象限探测器相干探测仿真系统，构建位置检测数学模型，分析位置检测精度与系统信噪比、光斑半径和光斑质心位置三个关键参数以及相干混频增益的关系。基于蒙特卡罗仿真方法并采用LabView软件搭建四象限探测器光斑位置检测计算机仿真系统，深入分析系统中高斯光斑产生、光斑质心位置解算以及误差评判三部分主要过程，分析各个关键参数对位置检测精度的影响。仿真结果表明，提升系统信噪比、减小光斑半径以及选取靠近光敏面中心的光斑质心位置可以提高位置检测精度。将仿真结果与理论计算结果进行对比，验证了数学模型的有效性，提升了蒙特卡罗仿真置信度。
探测器 激光干涉仪 引力波探测 四象限探测器 蒙特卡罗仿真方法 位置检测精度 系统信噪比 中国激光
2023, 50(13): 1306004
1 哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所，黑龙江 哈尔滨 150080
2 超精密仪器技术及智能化工信部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080
激光干涉位移测量技术因具有大量程、高分辨力、非接触式及可溯源性等特点，成为当前与下一代高端装备、超精密计量的基础性技术之一。在简要介绍国内外现有的各类亚纳米级激光干涉仪的基础上，重点从“精”“准”“快”方面综述了面向亚纳米、皮米级激光干涉位移测量技术的研究成果。首先，从激光干涉测量原理出发，分析了限制激光干涉仪中测量分辨力、速度等进一步提升的主要误差项及技术难点；其次，重点列举了近年来国内外在激光器高精度稳频、高精度干涉镜组、高速/高分辨力相位细分技术、环境补偿与控制等方面所取得的重大关键技术突破；最后，对下一代超精密激光干涉位移测量技术的发展趋势进行了总结与展望。
激光干涉仪 亚纳米与皮米测量 激光稳频 信号处理 激光与光电子学进展
2023, 60(3): 0312016
1 新乡职业技术学院智能制造学院, 河南 新乡 453000
2 河南理工大学机械工程学院, 河南 郑州 450000
3 豫北转向系统(新乡)有限公司品质工程部, 河南 新乡 453000
为达到更精确预测机床导轨几何误差的目的, 设计一种建立在公差基础上的几何误差预测方法, 并构建表面形貌误差和几何误差的映射关系。采样双频激光干涉仪具有高精度、快速响应以及高分辨率的优势, 充分满足高精度位移测试的需求。以等距方式对X轴导轨行程设置了37个测量点, 滑板到达各测量位置时分别经过6 s停留完成采样过程, 仿真结果的圆形标记位置拟合曲线R2参数可以达到理想的拟合精度。实际测量数据与预测结果间存在0.15 μm的差值, 相对于几何误差测试结果, 大部分残差都很小, 最大残差被控制在测量结果10%以内。实验结果验证采用该方法能够满足以公差为依据的机床导轨几何误差准确预测。该研究对提高机床精度具有很好的理论指导意义, 易于实际推广应用。
机床导轨 激光干涉仪 几何误差 公差 试验验证 machine guide laser interferometer geometric error tolerance experimental verification
1 昆明北方红外技术股份有限公司, 云南 昆明 650217
2 昆明物理研究所, 云南昆明 650223
3 云南开放大学光电与通信工程学院, 云南昆明 650223
4 陆军装备部驻重庆地区军事代表局驻昆明地区第二军事代表室, 云南昆明 650032)
本文提出了一种基于红外激光干涉仪检测非球面面形的新方法, 分为 3个步骤: 首先, 利用红外激光干涉仪测量分析出非球面与标准球面之间的波像差; 然后, 根据非球面方程得出非球面与标准球面之间波像差的理论值; 最后通过计算得出非球面的面形偏差。为验证这一方法的正确性和可靠性, 采用 ZYGO可见光干涉仪, 使用补偿镜法测量了同一块抛物面反射镜的面形误差。结果表明, 两种测量方法结果吻合。本新方法方便快捷, 具有较强的通用性, 可以用于非球面在加工过程中的面形测试。
红外激光干涉仪 非球面面形 波像差 infrared laser interferometer aspheric surface wave front aberration
复旦大学工程与应用技术研究院上海市超精密运动控制与检测工程研究中心，上海 201203
超精密位移测量系统是光刻机不可或缺的关键分系统之一，而基于激光外差干涉技术的超精密位移测量系统同时具备亚纳米级分辨率、纳米级精度、米级量程和数米每秒的测量速度等优点，是目前唯一能满足光刻机要求的位移测量系统。目前应用于光刻机的超精密位移测量系统主要有双频激光干涉仪和平面光栅测量系统两种，二者均以激光外差干涉技术为基础。本文将分别对这两种测量系统的原理、优缺点以及在光刻机中的典型应用进行阐述。
光刻机 外差干涉 双频激光干涉仪 平面光栅 激光与光电子学进展
2022, 59(9): 0922017
针对炮管内径测量仪的校准溯源问题, 阐述了炮管内径测量仪的结构原理, 设计了一种具有双动测头的校准装置, 建立了测量模型, 分析了影响校准结果的主要因素, 并对各因素的影响程度进行了定量评估, 最后评定出测量不确定度。结果表明, 校准装置的不确定度为0.22μm, 测径仪校准结果的不确定度为3.0μm, 能够满足内径测量仪的校准溯源要求, 并实现了自动化校准。
光学测量 激光干涉仪 内径测量仪 位移传感器 校准溯源 不确定度 optical measurement laser interferometer inner diameter instrument displacement sensor calibration traceability uncertainty
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Abstract
1 MOE Key Laboratory of TianQin Mission, TianQin Research Center for Gravitational Physics & School of Physics and Astronomy, Frontiers Science Center for TianQin, CNSA Research Center for Gravitational Waves, Sun Yat-sen University (Zhuhai Campus), Zhuhai 519082, China
2 Shenhe Middle School, Heyuan 517000, China
In this paper, we present a suppression method for the thermal drift of an ultra-stable laser interferometer. The detailed analysis on the Michelson interferometer indicates that the change in optical path length induced by temperature variation can be effectively reduced by choosing proper thickness and/or incident angle of a compensator. Taking the optical bench of the Laser Interferometer Space Antenna Pathfinder as an example, we analyze the optical bench model with a compensator and show that the temperature coefficient of this laser interferometer can be reduced down to 1 pm/K with an incident angle of 0.267828 rad. The method presented in this paper can be used in the design of ultra-stable laser interferometers, especially for space-based gravitational waves detection.
gravitational waves detection laser interferometer temperature compensation optical path calculation Chinese Optics Letters
2022, 20(1): 011203
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
压电陶瓷已广泛应用于检测、通讯等各个领域。该文采用外差式激光干涉测量法, 开展了压电陶瓷振动特性研究。首先给出了激光外差干涉测振仪测试压电陶瓷振动特性的测量方法, 并通过实验测得了压电陶瓷片单点振动的频率响应曲线, 同时测量了径向直线上若干点的振动频响曲线, 进而进行了整个压电陶瓷圆环表面在其谐振频率点的振动测量。实验结果表明, 实测压电陶瓷片的谐振频率为30 710 Hz, 与其产品标定值30 000 Hz存在710 Hz偏差。其圆环表面振动的振型具有不对称性, 这对压电陶瓷的应用设计提供了指导意义。
激光干涉仪 压电陶瓷 外差检测 振动分析 频率响应 信号处理 laser interferometer piezoelectric ceramic heterodyne detection vibration analysis frequency response signal processing
