李克武 1,2,3王爽 2,3,*李孟委 2王志斌 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 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心,山西 太原 030051
为了实现对Si、Ge、GaAs等红外材料应力缺陷检测,采用两个工作在不同频率的光弹性调制器级联,构成偏振测量系统。应力缺陷引入的双折射延迟量和快轴方位角两个参数,被加载到偏振测量系统调制信号中;利用数字锁相技术同时获取调制信号的基频项和差频项幅值,然后完成两个应力参数求解。详细分析了检测原理,并搭建了实验系统进行验证。实验结果表明,该检测方法及实验系统实现了应力方向角标准偏差为0.31°,应力双折射延迟量标准偏差为0.72 nm,高速、高精度和高重复度的应力缺陷检测,并且实现了Ge样品的应力缺陷方向和值大小分布测量,可为红外材料质量测试分析和评估提供有效手段。
应力缺陷 弹光调制 快轴方位角 延迟量 stress defect photoelastic modulation fast axis azimuth retardation 
红外与毫米波学报
2024, 43(1): 126
王爽 1,2,3,4崔志英 2,4冯华君 2,4李克武 1,2,3,4,*王志斌 3,**
作者单位
摘要
1 中北大学 计算机科学与技术学院,太原 030051
2 宁波永新光学股份有限公司,宁波 315040
3 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
4 浙江大学 光电科学与工程学院,杭州 310041
为了实现对波片快轴方位角和延迟量参数快速、高精度测试,提出了一种基于双弹光级联差频调制的波片参数测量方案。选用两个工作频率不相同的弹光调制器级联,构成偏振分析测量装置。波片的两个参数被加载到偏振分析装置的调制信号中,采用数字锁相技术同时提取调制信号的基频项和差频项,然后完成波片全部参数求解。按照原理分析,搭建了实验系统,并完成了系统初始偏移值定标,完成了632.8 nm的1/4波片,532 nm的1/4波片和1/2波片实验测量。实验结果表明,本文方案的快轴方位角测量最大偏差为0.2°,角度测量标准偏差为0.02°;波片的相位延迟量标准偏差优于5.64×10-4 rad,单点数据测量时间仅为200 ms。考虑到波片材料的双折射色散,根据检测激光波长下测量的相位延迟量,进一步计算出应用波长的波片延迟量。测量值与理论值最大偏差不超过1.17 nm,延迟精度优于λ/300。本文方案实现了高速、高精度和高灵敏的波片参数测量,可为波片加工测试和实验定标提供有效手段。
弹光调制 差频调制 波片 快轴方位角 延迟量 Photolastic modulation Differential frequency modulation Waveplate Fast axis azimuth Retardation 
光子学报
2023, 52(11): 1112002
李克武 1,2,3邱元芳 2崔志英 2毛磊 2[ ... ]匡翠方 1,2,*
作者单位
摘要
1 浙江大学 光电科学与工程学院,浙江杭州3004
2 宁波永新光学股份有限公司,浙江宁波315040
3 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00051
为了实现对光学材料、光学元件的快速、高精度应力双折射测试评估分析,本文提出了一种基于双弹光级联差频调制的应力双折射二维分布测量方案。将两个工作在不同频率的弹光调制器级联,构成偏振测量装置。光学材料和元件的应力双折射延迟量和快轴方位角参数,被加载到偏振测量装置的调制信号中;采用数字锁相技术,提取调制信号的基频项和差频项,然后完成应力双折射延迟量和快轴方位角两个参数求解;按照原理分析,研制了测试系统,并完成了系统初始偏移值定标;采用波片进行了测量精度和重复性测试,并完成了BK7玻璃样品的应力双折射分布测量实验。实验结果表明,该系统的快轴测量重复性为0.01°,双折射延迟量测量重复性为0.02 nm,单数据点测量时间小于200 ms。本文方案实现了高速、高精度和高重复度的应力双折射测量,同时具备应力双折射二维分布测量能力,可为波片、玻璃或晶体等光学材料双折射测量分析和评估提供有效手段。
弹光调制 差频调制 应力双折射 延迟量 快轴方位角 photoelastic modulation difference frequency modulation stress birefringence retardance fast axis azimuth 
光学 精密工程
2023, 31(18): 2647
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 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 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
杜洽伟 1,2,3李克武 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 前沿交叉科学研究院, 山西 太原 030051
3 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
干涉法和补偿法等双折射测量方法需要转动待测样品或偏振元件,操作不便、测量速度慢、精度有限。提出了一种双弹光调制与上位机组成的双折射系统。由弹光调制来产生调制信号,加载待测样品信息,调制信号采集至上位机中进行数据处理,进一步完成延迟量和快轴方位角求解。对测试方案原理进行分析,重点进行了系统数据处理的上位机设计与实现,完成了软硬件系统搭建。采用1/4波片进行了实验测试,实验结果表明延迟量测量相对误差为2%,快轴方位角测量相对误差为0.4%,延迟量和快轴方位角的标准差分别为0.056nm和0.022°。
双折射 弹光调制 上位机设计 延迟量 快轴方位角 birefringence photoelastic modulation PC design retardation fast axis azimuth angle 
光学技术
2023, 49(1): 64
李坤钰 1,2,3王志斌 2,3,*李克武 2,3李晋华 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 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
针对高精度、快速实时的偏振测量需求, 提出了一种双弹光差频调制的偏振参量测量方法。对偏振测量原理进行了详细分析, 针对双弹光调制器工作控制及信号解调需求, 设计了基于数字可编程逻辑门阵列(FPGA)的多通道数字锁相数据处理方案。FPGA提供一定频率占空比的脉冲宽度调制波(PWM), 经高压谐振电路输出正弦高压驱动弹光调制器工作, 与此同时, 探测器探测到的调制光信号经模数转换器(ADC)采集后进入FPGA中。FPGA提供本地参考信号完成多个频率信号的同时解调, 进而单次测量便可得到4个斯托克斯分量。搭建了实验系统进行了实验验证, 利用旋转1/4波片法建立了偏振产生装置, 实现了对线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光的测量。实验结果表明, 系统测量的相对误差小于0.8%, 重复性标准差小于0.2%, 单次测量时间小于200ms,实现了高精度、重复性好、实时的偏振测量。
弹光调制 偏振测量 斯托克斯矢量 数字锁相 photoelastic modulation polarization measurement stokes vector digital lock-in amplifier 
光学技术
2023, 49(1): 51
李克武 1,2,aff*王爽 2刘梓良 2王志斌 2,**
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 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心,山西 太原 030051
针对光学材料、光学元件的快速、高精度应力测试评估需求,提出了一种基于双弹光级联差频调制的应力双折射测量方案。应力双折射延迟量和快轴方位角信息被加载到差频弹光调制信号中,运用数字锁相技术同时提取弹光调制的差频信号和基频信号,进一步求解出应力双折射延迟量和快轴方位角。对该新方案的原理进行了分析,并搭建了实验系统,对系统初始偏移值进行了实验定标。采用Soleil-Babinet补偿器完成了测量精度和重复性测试,并完成了施加应力样品的应力双折射测试。实验结果表明,该系统的延迟量测量精度为2.3%,延迟量测量重复性为0.032 nm,双折射测量重复性为0.17 nm/cm。此外,单数据点测量时间不超过200 ms。
测量 应用光学 弹光调制 应力双折射 延迟量 
光学学报
2023, 43(4): 0412001
张敏娟 1,2,*李春阳 1,2李晋华 1,2杨坤 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
相位延迟量是偏振光学元件的一个重要指标,为了精准快速地测量偏振元件的相位延迟量,提出一种具有相位补偿的级联调制的偏振元件相位延迟量检测方法。该方法采用弹光调制器(PEM)和电光调制器(EOM)作为相位延迟量检测系统的级联调制元件,利用Soleil-Barbinet相位补偿器对样品进行光学补偿。基于数字锁相技术与现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的片上可编程系统,检测光强极值点对应的Soleil-Barbinet相位补偿器的相位参数并进行数据处理,实现样品的相位延迟量检测。实验表明,利用该方法测量样品的相位延迟量的最大相对误差为0.857%,测量精度为99.143%,验证了将偏振调制法和补偿法相结合测量相位延迟量具有较高的精度,且降低了补偿器本身对测量误差的影响。
仪器,测量与计量 相位延迟量 弹光调制 电光调制 数字锁相技术 Soleil-Barbinet相位补偿器 
激光与光电子学进展
2023, 60(1): 0112001
胡将 1,2,4李克武 2,3,4李晋华 2,4王志斌 1,2,4,*
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 中北大学电气与控制工程学院,山西 太原 030051
4 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心,山西 太原 030051
为了实现快速、准确的高温测量,在多光谱辐射理论的基础上,提出一种基于弹光调制光谱的多光谱温度测量方法。对基于弹光调制的多光谱测温装置系统结构进行了详细介绍,并且采用MATLAB软件对温度测量方法进行仿真分析,最后进行实验验证。实验中采用非均匀快速傅里叶变换(NUFFT)算法将高温物体辐射产生的弹光调制傅里叶变换干涉信号进行复原,在对探测器进行光谱响应函数标定的基础上,根据响应函数进行修正得到实际光谱复原图,再利用多光谱温度反演算法得到黑体温度。结果表明,所提方法的温度计算误差为5%左右,并通过标准黑体辐射源进行实验,对温度测量进行了验证。
测量 信号处理 弹光调制光谱 多光谱辐射 
中国激光
2022, 49(9): 0904005

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