北京理工大学 光电学院 复杂环境智能感测技术工业和信息化重点实验室, 北京 100081
针对精密定位平台大行程下定位精度不足的问题, 提出一种基于非共光路外差激光干涉反馈的新型纳米精密定位系统。系统由非共光路外差激光干涉和高精度光栅构成复合反馈, 保留了高精度光栅大行程高分辨率的优势, 同时结合非共光路外差激光干涉协同定位, 消除了光栅的安装误差和变形对定位精度的影响, 提升了大行程下的定位精度。系统采用基于BP神经网络的预测微调定位技术, 一定程度上提升了定位效率。实验结果表明, 在100mm行程范围内,系统轴线双向定位精度可以达到28nm, 轴线重复定位精度可以达到26nm。通过预测定位, 定位结束门限设定为20nm时, 系统定位微调时间可由1.65s以内缩短至0.6s以内。5mm/s的速度下, 系统跟随误差可达100nm。
非共光路外差激光干涉 协同驱动 定位精度 预测定位 heterodyne laser interferometry with non-coaxial b collaborative drive positioning accuracy predictive positioning
西安科技大学通信与信息工程学院，陕西 西安 710054
提出一种可测量外腔式Fabry-Perot传感器所加载的静态/动态复合信号的腔长自补偿改进对称解调技术。在对称解调技术的基础上，通过其输出信号的直流量判断传感器腔长的变化，从而划分腔长稳定段与突变段，分段并重新进行信号解调，以保证动态分量的解调精度；同时利用腔长变化前后计算出的干涉信号相位差对腔长的变化量进行补偿，以提高静态分量的测量精度。实验证明该解调技术能够实现对静态/动态复合信号的测量。实验中实现了幅度超过100 μm复合信号的解调，大幅度腔长变化量的测量误差约为2%。该解调技术能够解调不同腔长传感器上加载的包含高频分量的静态/动态复合信号。
光纤光学 光纤传感技术 激光干涉测量 相位解调 外腔式Fabry-Perot干涉仪 光学学报
2023, 43(23): 2306002
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
由于激光外差干涉测量系统光机平台无法模拟多普勒频移，并且商用信号发生器无法实现多种类、高复杂度的星间外差干涉信号模拟，不能对空间引力波探测的相位计进行全面测试。通过分析外差干涉信号的特性，研究信号模拟系统的实现原理及方法，设计了空间引力波探测激光外差干涉信号模拟系统。首先，应用直接数字合成器（DDS）模拟外差干涉信号。其次，通过频率偏移方式模拟多普勒效应，应用混合同余算法生成散粒噪声并调制到外差干涉信号中。最后，基于FPGA搭建系统硬件平台，通过示波器及频谱分析仪分析生成信号的时频特性。实验结果表明，信号模拟系统在2~20 MHz的频率范围内杂波抑制度为−53 dBc，谐波（二次）抑制达到−47 dBc，生成信号的时频特性符合理论预期，满足空间引力波探测相位计的地面测试需求。
信号模拟 空间引力波探测 激光干涉测量 signal simulation space gravitational wave detection laser interferometry 红外与激光工程
2022, 51(7): 20210572
1 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院空间光电精密测量技术重点实验室，四川 成都 610209
正交相位解调是相干激光脱靶量检测中重要的信号处理方法，使用卡尔曼低通滤波器可以有效提高数字正交解调相位计的鉴相性能。针对噪声统计信息未知时，卡尔曼低通滤波器精度下降的问题，提出一种基于Sage-Husa自适应滤波的解决方法，该方法利用自适应因子调整状态预测协方差阵，有效降低模型误差，提高滤波精度。对所提方法进行Matlab仿真实验，结果表明，自适应卡尔曼滤波方法能有效地改善数字锁相解调器的鉴相性能，减小低信噪比下脱靶量解算误差。
激光与光电子学进展
2022, 59(1): 0112003
1 河南理工大学 机械与动力工程学院，河南 焦作 454003
2 德国联邦物理技术研究院，德国 布伦瑞克 D-38116
超精密纳米位移台常用于扫描探针显微镜、光学显微镜等高精度分析仪器中，其纳米机械性能的精密计量和校准对显微测量系统的性能起着关键作用。基于一种双通道结构差动式平面镜干涉测量与校准方法（英国国家物理实验室），文中对一种超精密位移台的关键计量特性进行了定量研究。构建了基于现场可编程门阵列（FPGA）和LabView的高精度稳频激光干涉数据采集和数据解码系统，使其可溯源超精密纳米位移台的准静态校准计量特性。进一步地，利用该干涉测量系统对超精密位移台的计量特性进行了校准和分析。测试结果显示，该激光干涉校准系统在准开放环境中的背景噪声低于10
${\rm{pm/}}\sqrt {{\rm{Hz}}} $![]()
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；该超精密位移台具有优良的纳米机械性能，其线性度低于1.2×10
−4，分辨率达40 pm，重复性和稳定性较好。上述对校准设备准静态性能和对纳米位移台计量特性的测试结果表明，所提出的方法和系统能够对纳米位移台进行计量，从而用于小于几皮米的皮米级压痕测量以及原子尺度上的大范围测量。
红外与激光工程
2021, 50(11): 20210070
利用气体折射率与压力之间的关系，可采用激光干涉仪对气体动态压力进行非接触测量，研究了温度对激光干涉法测量气体动态压力的影响。通过量子力学角度对气体状态方程进行维里展开，建立气体压力与折射率的模型，基于Edlen经验公式进行最新修正，探究了温度对激光干涉法测量气体动态压力的影响。结果表明，在低压范围内静态压力一定时，-20~80℃范围内温度变化与气体折射率成反比，折射率的改变量约为10-6/℃，每1℃的温度变化相当于产生311.47Pa压力，温度改变对气体低压测量影响较大，应保证测量范围内温度控制优于±0.05℃，才能满足激光干涉法测量气体动态压力的要求。
激光干涉法 温度 折射率 维里方程 压力测量 laser interferometry temperature refractive index virial equation pressure measurement
红外与激光工程
2021, 50(6): 20200329
清华大学精密仪器系, 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 北京 100084
“没有测量就没有科学”,对物理量越来越精确的测量已成为现代科学和技术领域孜孜追求的目标。激光干涉精密测量具有可溯源,纳米甚至皮米高分辨率,以及数米、几千米甚至上千千米的超长测量范围等突出优点,被广泛用于IC装备、数控机床、超精密微纳制造、引力波探测等先进技术和前沿科学领域。清华大学激光精密测量与应用课题组长期围绕激光干涉和激光回馈干涉开展研究,先后在大频差、高功率保持的新原理双频激光器、用于无靶镜纳米测量的回馈干涉原理研究方面取得了突破,研制出新型双频激光干涉仪和激光回馈干涉仪,并在多个领域开展了应用研究。本文详细总结了课题组最近十年的研究成果,在此基础上展望了激光干涉精密测量与应用研究领域的发展前景。
激光光学 精密测量 激光干涉 激光回馈 计量应用 中国激光
2021, 48(15): 1504001
1 中国计量科学研究院时间频率计量科学研究所, 北京 100029
2 国家市场监管总局时间频率计量基准重点实验室, 北京 100029
绝对重力仪是直接开展绝对重力测量的精密计量仪器。绝对重力测量是指对地球表面重力加速度值的直接测量,其在地球科学和计量科学等领域都有十分重要的应用。历史上最早的绝对重力测量约在1590年。1590~1960年,主要利用摆仪的摆长和自由摆周期来开展绝对重力测量。自1960年起,随着激光技术的发明,高精度绝对重力测量有了新的发展,人们开始利用宏观物体自由运动(自由下落或上抛)的方法开展绝对重力测量,形成了激光干涉绝对重力仪。1991年,美国斯坦福大学朱棣文教授小组首次利用冷原子团的自由运动进行绝对重力测量,实现了第一台原子干涉绝对重力仪。中国计量科学研究院是我国最早开展绝对重力仪研制的单位,本文结合中国计量科学研究院绝对重力仪研制经验,综述了激光干涉绝对重力仪和原子干涉绝对重力仪的技术发展,尤其是激光技术的发明对绝对重力仪的技术发展带来的革命性技术变革。
原子与分子物理学 重力加速度 绝对重力测量 绝对重力仪 光学干涉 激光冷却 原子干涉
