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中科大利用光学天线与光场相干性实现亚纳米位移的光学测量

时间:2020-06-29    来源:中国科学技术大学    作者:仪多多商城     
【导读】光学测量是光电技术与机械测量结合的高科技。借用计算机技术,可以实现快速,准确的测量。方便记录,存储,打印,查询等等功能。 光学测量主要应用在现代工业检测,主要检测产品的形位公差以及数值孔径等是否合格。

  天线是一种变换器,它把传输线上传播的导行波,变换成在无界媒介(通常是自由空间)中传播的电磁波,或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统,凡是利用电磁波来传递信息的,都依靠天线来进行工作。此外,在用电磁波传送能量方面,非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性,即同一副天线既可用作发射天线,也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。

  光学测量是光电技术与机械测量结合的高科技。借用计算机技术,可以实现快速,准确的测量。方便记录,存储,打印,查询等等功能。 光学测量主要应用在现代工业检测,主要检测产品的形位公差以及数值孔径等是否合格。

  近日,中国科大利用光学天线与空间结构光场相互作用实现了亚纳米位移的测量。基于光场相干性进行纵向位移测量可以实现激光雷达、激光测距、微小震动测量等,在科学研究和工业生产中已经产生了重要而广泛的影响。该课题组一直从事微纳光子学、表面等离激元光学、光场调控研究。该工作设计了一种耦合光学天线,利用非均匀空间结构光与光学天线的相互作用,实现对金属表面等离激元的非对称激发。

  光学天线在光通信中发射或接收光信号的设备。分光发射天线和光接收天线。通常使用的是各种透镜、棱镜和平面镜,用以控制和变换光束的方向或粗细, 以及聚焦、散焦等。天线辐射的是无线电波,接收的也是无线电波,然而发射机通过馈线送入天线的并不是无线电波,接收天线也不能把无线电波直接经馈线送入接收机,其中必须经过能量转换过程。

  发射天线是无线通信设备重要组成部分,在发射端,发射机产生的已调制的高频振荡电流(能量)经馈电设备输入发射天线(馈电设备可随频率和形式不同,直接传输电流波或电磁波),发射天线将高频电流或导波(能量)转变为无线电波—自由电磁波(能量)向周围空间辐射。

  激光雷达,是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其工作原理是向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而对飞机、导 弹等目标进行探测、跟踪和识别。它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成,激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去,光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲,送到显示器。

  用激光器作为发射光源,采用光电探测技术手段的主动遥感设备。激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式。由发射系统、接收系统 、信息处理等部分组成。发射系统是各种形式的激光器,如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器以及光学扩束单元等组成;接收系统采用望远镜和各种形式的光电探测器,如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等组合。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式,探测方法按照探测的原理不同可以分为米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射、荧光、多普勒等激光雷达。

  激光测距是以激光器作为光源进行测距。根据激光工作的方式分为连续激光器和脉冲激光器。氦氖、氩离子、氪镉等气体激光器工作于连续输出状态,用于相位式激光测距;双异质砷化镓半导体激光器,用于红外测距;红宝石、钕玻璃等固体激光器,用于脉冲式激光测距。激光测距仪由于激光的单色性好、方向性强等特点,加上电子线路半导体化集成化,与光电测距仪相比,不仅可以日夜作业、而且能提高测距精度。

  激光测距仪一般采用两种方式来测量距离:脉冲法和相位法。脉冲法测距的过程是这样的:测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收,测距仪同时记录激光往返的时间。光速和往返时间的乘积的一半,就是测距仪和被测量物体之间的距离。脉冲法测量距离的精度是一般是在+/- 10厘米左右。另外,此类测距仪的测量盲区一般是1米左右。

  微小震动测量振动测量在生产和科学研究中有着重要的作用。近年来,随着微机械技术和精细加工工艺的飞速发展及大量应用,有关物体的微小位移与微小振动精 确测量的研究工作引起人们的广泛重视。光学检测法作为一种重要的非接触式无损测量技术,具有结构简单、精度高、稳定好等优点,在计量测试技术领域中一直占据主导地位。光学测量方法中,以干涉法最为常见和广泛,而利用光折变晶体干涉测量是近年来发展起来的一种新技术。

  物体微小振动测量被广泛应用于材料探伤、振动有限元分析、机械系统动态分析、生物医学等各种领域。目前,测量振动的技术主要有三类:机械式测量技术、电气式测量技术和光学测量技术。光学测量法中以光干涉测量技术最为常见和应用广泛,可实现高精度的非接触式振动测量。光干涉测量中的非线性光干涉测振方法是利用光折变晶体材料的非线性特性,可实现更高频率、更微小位移的振动测量。

  延伸阅读:

  光学测量仪器分类

  光学测量的被测件进行分类,主要分为3类:有源器件,无源器件,高速通信。有源器件主要有:调制器,发送器,接收机,放大器,MUX/DEMUX,光电和电光转换器,以及激光源。无源器件主要有:滤波器,光纤,光连接器,光分路器,光衰减器。高速通信主要有:40G/100G光通信,广播电视通信,光纤接入,4G通信,光纤无线电等。

  通用光学参数测试类仪器主要有:可调谐和大功率激光源,光功率计,回波损耗测试仪,光衰减器,光开关,多波长计,光谱分析仪。

  光电/偏振/复杂调制类仪器主要有:光波元器件分析仪/光色散和损耗分析仪,偏振分析仪和控制器,光调制分析仪,任意波形发生器,光/电和电/光转换器。

  比特误码率和波形分析类仪器主要有:串行/并行误码仪,光示波器和模块。


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