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文档简介
激光光束调节手段一、激光光束调节概述
激光光束调节是指通过一系列技术和方法,对激光束的参数进行精确控制和调整,以满足不同应用场景的需求。激光光束调节手段主要包括空间调节、能量调节、时间调节和相位调节等方面。本篇文档将详细介绍激光光束调节的基本原理、常用方法和应用场景,为相关领域的研究和应用提供参考。
二、激光光束空间调节
(一)光束整形
1.使用光束整形器:光束整形器是一种能够改变激光束横截面形状的装置,常见类型包括衍射光学元件(DOE)和反射光学元件。通过设计特定的光学结构,可以实现光束的均匀化、聚焦或发散控制。
2.利用空间光调制器(SLM):空间光调制器可以通过数字控制实现光束的动态整形,适用于需要实时调整光束形状的应用场景。
(二)光束扫描
1.使用扫描振镜:扫描振镜是一种能够快速改变激光束方向的小型驱动装置,通过控制振镜的角度,可以实现光束的二维或三维扫描。
2.利用声光扫描器:声光扫描器通过声波在介质中的传播,实现激光束的快速偏转,适用于高速扫描应用。
(三)光束聚焦
1.调整透镜参数:通过更换不同焦距的透镜或调整透镜位置,可以实现对激光束的聚焦控制。
2.使用聚焦透镜组:聚焦透镜组可以提供更高的聚焦精度和稳定性,适用于对光束质量要求较高的应用。
三、激光光束能量调节
(一)功率控制
1.使用功率调节模块:功率调节模块通过改变激光器的偏置电流或腔内损耗,实现对输出功率的连续调节。
2.利用脉冲调制技术:脉冲调制技术可以通过控制激光器的开关时间,实现脉冲功率的调节。
(二)能量分束
1.使用分束器:分束器可以将激光束分成多路,通过调整分束器的透过率,可以实现对各路光束能量的分配。
2.利用光束分裂技术:光束分裂技术可以通过光纤耦合或其他光学手段,实现光束的分裂和能量分配。
四、激光光束时间调节
(一)脉冲宽度控制
1.调整Q开关:Q开关是一种能够快速改变激光器腔内损耗的装置,通过控制Q开关的开启和关闭时间,可以实现对脉冲宽度的调节。
2.使用锁模技术:锁模技术可以通过控制激光器的谐振腔模式间隔,实现超短脉冲的产生和调节。
(二)脉冲重复频率控制
1.使用声光调制器:声光调制器可以通过改变声波频率,实现对激光脉冲重复频率的调节。
2.调整激光器参数:通过调整激光器的谐振腔长度或外腔反馈,可以实现对脉冲重复频率的控制。
五、激光光束相位调节
(一)相位补偿
1.使用相位板:相位板是一种能够引入特定相位分布的光学元件,通过选择不同类型的相位板,可以实现不同形式的相位调节。
2.利用空间光调制器:空间光调制器可以通过数字控制实现光束的相位分布,适用于需要动态相位调节的应用场景。
(二)干涉控制
1.调整干涉仪参数:通过调整干涉仪的臂长差或光学元件的相位,可以实现对干涉条纹的调节。
2.使用相位稳定的激光器:相位稳定的激光器可以提供高稳定性的输出相位,适用于对相位稳定性要求较高的应用。
六、应用场景
1.激光加工:通过光束整形、聚焦和能量调节,实现对材料的精确加工。
2.激光测量:通过光束扫描和相位调节,实现高精度的距离测量和形貌扫描。
3.激光通信:通过脉冲调制和时间调节,实现高速、稳定的激光通信传输。
4.医疗应用:通过光束整形和能量调节,实现精确的激光手术和治疗。
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**一、激光光束调节概述**
激光光束调节是指通过一系列物理手段和技术,对激光束的关键参数进行精确控制和调整的过程。这些参数包括但不限于光束的横截面形状、光束质量(如束腰尺寸、发散角)、光束位置、能量或功率分布、时间特性(脉冲宽度、重复频率)以及相位分布等。精确的激光光束调节对于确保激光设备在不同应用场景下的性能、效率和稳定性至关重要。本篇文档将详细阐述激光光束调节的基本原理、常用方法和具体实施步骤,涵盖空间调节、能量调节、时间调节和相位调节等多个方面,旨在为激光技术的研究、开发和应用提供系统性的参考。
**二、激光光束空间调节**
(一)光束整形
1.使用光束整形器:
光束整形器是专门设计用于改变激光束横截面形状或能量分布的元件。其核心原理通常基于衍射光学或几何光学。
(1)**衍射光学元件(DOE)**:DOE通过精确设计的微结构(如浮雕表面或体相位光栅)对光波进行衍射调控。根据微结构的设计,可以实现光束的均匀化(例如,将高斯束转换为均匀光束)、光束的整形(如生成特定形状的截面、多光束输出)或光束的聚焦/发散控制。选择DOE时需考虑其工作波长、入射角、所需输出模式以及环境稳定性等因素。实施步骤通常包括:确定所需的光束输出形状;选择或定制合适的DOE类型(如相位型或振幅型);将其置于激光光路中,通常位于扩束系统之后;通过实验或仿真微调元件位置或偏振状态,优化输出效果。
(2)**反射光学元件**:某些特殊设计的反射镜,如非球面镜或特殊曲面反射镜,也可以用于光束整形。它们通过反射光束并改变其传播路径和形状来实现目标。例如,使用特定曲率的反射镜可以压缩光束腰,减小发散角。
2.利用空间光调制器(SLM):
空间光调制器是一种可以通过电子信号控制其表面光学特性(如透射率或相位)的元件,通常由微镜阵列或液晶阵列构成。SLM能够对入射光束进行逐点调制,从而实现高度灵活和动态的光束整形。
(1)**工作原理**:SLM接收视频信号或数字信号,驱动其上的每个微单元(如微镜)改变倾斜角度或透射/反射特性,最终在输出端形成复杂的光学图案或调制的光束形状。
(2)**实施步骤**:
a.准备或生成所需的光束整形图案数据(通常为2D或3D矩阵)。
b.将SLM接入激光光路,通常位于透镜之后以形成所需的光束尺寸。
c.连接SLM驱动器和控制计算机,加载图案数据。
d.调整SLM的偏振状态和聚焦,确保图案能被有效调制。
e.通过观察屏或探测器监测输出光束形状,根据需要调整输入图案或SLM参数,直至达到预期效果。
SLM特别适用于需要实时、快速或复杂形状调整的应用,如动态显示、光束加密通信、复杂加工路径等。
(二)光束扫描
1.使用扫描振镜:
扫描振镜(GalvanometerMirror)是激光扫描系统中常用的快速角度驱动装置,通常包含两个或多个小型反射镜,通过电磁驱动实现高速、小角度偏转。
(1)**工作原理**:当电流通过振镜内部的驱动线圈时,会产生磁场,与内部的永久磁铁相互作用,导致镜面偏转。通过分别控制两个(或多个)振镜的角度,可以在二维(X-Y平面)或三维空间内扫描激光光束。
(2)**实施步骤**:
a.选择合适扫描范围的振镜(如±10°,±20°等)。
b.将振镜安装在对准激光束的光路中。
c.连接振镜驱动器,该驱动器接收来自控制系统的电压信号,并转换为驱动电流。
d.通过控制系统(如计算机、单片机)生成所需的扫描波形(如锯齿波、三角波、特定路径的波形)。
e.调整扫描振镜的偏振补偿片(如果需要),以保持扫描过程中光束质量。
f.监控扫描光斑的位置和形状,必要时调整振镜的行程、速度和加速度参数。
扫描振镜响应速度快,精度较高,适用于需要快速移动光斑的应用,如激光雷达、激光指向控制、动态标记等。
2.利用声光扫描器:
声光扫描器(Acousto-OpticScanner,AOS)利用声波在介质中传播时对光束进行衍射偏转的原理来实现光束扫描。
(1)**工作原理**:当高频电信号驱动压电换能器产生声波时,声波在声光介质(如铌酸锂晶体、石英)中传播,导致介质折射率发生周期性空间变化,从而对入射激光束产生衍射效应。通过控制声波频率、方向和强度,可以控制光束的偏转角度和输出位置。
(2)**实施步骤**:
a.选择合适的声光介质和驱动频率范围。
b.将声光扫描器集成到激光光路中,通常位于透镜之后。
c.连接声光驱动器,接收控制信号并产生相应频率和幅度的电信号驱动声光换能器。
d.通过控制系统生成扫描所需的电信号波形(如射频脉冲序列)。
e.调整声光扫描器的聚焦和偏振状态。
f.监测输出光束的扫描范围和分辨率,进行必要的参数优化。
声光扫描器具有扫描速度极高(可达MHz量级)、扫描角度范围大、无机械振动等优点,适用于高速激光加工、光束切换、光谱扫描等场合。
(三)光束聚焦
1.调整透镜参数:
透镜是激光束聚焦最常用的光学元件。通过合理选择和配置透镜,可以精确控制光束的聚焦位置和焦点质量。
(1)**单透镜聚焦**:使用凸透镜可以将发散的激光束聚焦到一个点。焦点位置由透镜的焦距(f)和物距(u)决定,遵循高斯透镜成像公式1/f=1/u+1/v。要实现特定位置的聚焦,需要根据公式计算并放置透镜。
(2)**双胶合透镜/复消色差透镜**:对于需要更好像质(更小的球差和慧差)的应用,可以使用双胶合透镜。它们通常由两种不同折射率玻璃胶合而成,可以在一定光谱范围内实现色差校正。
(3)**实施步骤**:
a.根据所需焦点位置、聚焦光束直径和激光波长,选择合适的透镜类型(凸透镜、双胶合透镜等)和焦距。
b.将透镜垂直于激光光束中心轴线放置。
c.移动透镜,通过观察屏或探测器找到焦点位置,并精确定位透镜。
d.调整透镜的焦点匹配环(如果配备),确保透镜与光束同心。
e.对于需要精确焦距的应用,可以使用焦距计或干涉仪进行精确测量和微调。
2.使用聚焦透镜组:
对于需要更高聚焦精度、更大数值孔径(NA)或特定聚焦特性的应用,可以使用聚焦透镜组(FocusingLensGroup/LensAssembly)。
(1)**组成**:聚焦透镜组通常由多个透镜(包括正负透镜)精密组合而成,通过优化各透镜的焦距和相对位置,可以显著改善成像质量,减少像差,并提供更小的焦斑尺寸。
(2)**优势**:相比单一透镜,透镜组可以实现更短的工作距离(焦距更短),更高的数值孔径,以及更优异的光束质量和焦斑均匀性。
(3)**实施步骤**:
a.根据应用需求(如工作距离、焦斑直径、数值孔径、光谱范围)选择或定制合适的聚焦透镜组。
b.严格按照厂家提供的安装说明,将透镜组正确安装到光路中,注意保持透镜组内部元件的同轴性。
c.确保透镜组的前后表面与光束路径垂直。
d.通过实验或使用高分辨率探测器(如CCD相机)评估焦点质量(如使用瑞利判据或艾里斑直径衡量),并进行必要的微调(如果透镜组允许)。
e.对于需要精确对焦的应用,可以使用精密调谐机构或测量装置辅助定位。
**三、激光光束能量调节**
(一)功率控制
1.使用功率调节模块:
功率调节模块是直接集成在激光器光路中或紧邻激光器的专用装置,用于稳定和精确地调节激光输出功率。
(1)**工作原理**:常见的功率调节模块基于改变激光器内部或外部损耗的原理。
-**吸收式调节**:在光路中插入一个可变吸收体(如基于半导体材料的饱和吸收体或液晶吸收体),通过改变吸收体的工作状态(如电流、电压)来调节对激光的吸收量,从而控制输出功率。
-**光束分束调节**:使用一个透过率可调的分束器(如电光可变分束器),将部分激光能量反射或透射掉,剩余的部分继续输出。调节分束器的透过率即可改变输出功率。
-**偏置电流调节(针对某些激光器)**:对于某些类型(如某些半导体激光器或CO2激光器),可以通过精确调节驱动激光器的偏置电流来控制其输出功率。但这通常需要与稳流电源配合,并注意避免长时间工作在非最佳偏置点影响寿命。
(2)**实施步骤**:
a.选择与激光器类型、输出波长、所需功率范围和调节精度相匹配的功率调节模块。
b.将功率调节模块按照厂家建议的方式接入激光光路(通常在准直透镜之后,聚焦透镜之前)。
c.连接控制模块或信号线,将其接入控制系统。
d.通过控制系统发送功率设定值或调节指令。
e.实时监测输出功率(使用功率计),确保其稳定在设定值,并根据需要进行微调。
f.注意功率调节模块的散热问题,必要时安装散热措施。
功率调节模块提供了稳定、线性的功率调节特性,是激光加工、测量等应用中常用的功率控制手段。
2.利用脉冲调制技术:
脉冲调制技术通过改变激光器输出激光的时间特性(如开启和关闭时间),来控制其平均输出功率。
(1)**工作原理**:通过快速开关激光器的触发脉冲,使激光输出呈现脉冲形式。调整脉冲的重复频率(PRF)和占空比(DutyCycle,即脉冲宽度与重复周期的比例),可以改变激光的平均能量输出。
(2)**实施步骤**:
a.确认激光器支持脉冲调制工作模式。
b.连接脉冲调制控制器(如函数发生器、专用的激光器控制器)到激光器的触发输入端。
c.设置控制器产生所需的脉冲波形参数(如重复频率、脉冲宽度、占空比)。
d.监测平均输出功率(使用功率计或能量计),根据测量结果调整控制器的脉冲参数,以获得目标平均功率。
e.注意脉冲调制可能对激光器的散热和寿命产生影响,需在额定范围内使用。
脉冲调制除了调节平均功率外,还可以通过改变脉冲宽度影响激光与物质的相互作用过程(如实现选择性烧蚀、减少热影响区等)。
(二)能量分束
1.使用分束器:
分束器是一种能够将入射激光束按一定比例分成两束或多束的元件,广泛应用于需要同时使用多路激光能量的场景。
(1)**类型**:常见的分束器包括半透半反镜(BeamSplitter)、分束立方体(BeamsplitterCube)等。半透半反镜对入射光束有50%的透射和50%的反射(比例可定制),分束立方体则通过边缘耦合或体全反射原理实现分束,通常反射光和透射光的损耗更小,且隔离度更高。
(2)**工作原理**:基于光的反射和透射定律。通过在玻璃基板上沉积透明的或多反射膜层,使得光束在通过时一部分能量被反射,另一部分能量被透射。
(3)**实施步骤**:
a.根据所需分束比(如1:1,9:1等)和激光波长,选择合适的分束器类型和规格。
b.将分束器垂直于激光光束中心轴线放置,确保入射光束与分束器表面法线夹角符合要求(通常为0°)。
c.将透射光束和反射光束分别引出到各自的光路中,可能需要使用额外的准直或聚焦光学元件。
d.如果使用分束立方体,注意其安装方式,通常需要使用偏振片或波片来补偿因偏振态变化引入的相位差。
e.检查两路输出光束的功率和光质,确保满足后续应用的要求。
分束器是激光多路系统(如干涉测量、多光束加工、激光雷达)的基础元件。
2.利用光束分裂技术:
光束分裂技术是指通过非对称光学系统或特殊介质,使入射光束分裂成强度不同的两束或多束。
(1)**非对称系统**:例如,在两个相同但放置角度略有差异的反射镜之间传输光束,由于微小的角度差异,光束会更多地被其中一个反射镜反射,从而实现能量分裂。
(2)**特殊介质**:某些光学介质在特定条件下(如外部施加应力或电场)可能会表现出对不同偏振态光束的不同透过率或反射率,从而实现类似分束的效果。
(3)**实施步骤**:这类技术通常需要根据具体设计和材料特性进行实施。对于非对称系统,需要精确调整反射镜的角度;对于特殊介质,需要施加相应的外部场。监测分裂光束的功率分布和光束质量是关键步骤。
**四、激光光束时间调节**
(一)脉冲宽度控制
1.调整Q开关:
Q开关(Q-Switch)是一种用于在激光腔内产生巨大能量存储并瞬间释放的技术,从而获得高峰值功率短脉冲的装置。其核心作用是快速改变激光腔的损耗。
(1)**工作原理**:Q开关通过一个可变损耗元件(如声光调制器、电光调制器或机械快门)置于激光谐振腔中。在脉冲准备阶段,Q开关处于高损耗状态(低Q值),激光能量缓慢积累但输出功率很低。当能量积累到一定程度时,触发Q开关使其迅速变为低损耗状态(高Q值),腔内积累的能量在极短的时间内以极高的功率输出,形成激光脉冲。
(2)**实施步骤**:
a.将Q开关安装到激光谐振腔的适当位置(通常在输出耦合镜附近)。
b.连接Q开关的驱动和控制电路。对于声光或电光Q开关,需要提供相应的驱动信号(如射频脉冲、高压方波)。对于机械快门Q开关,需要控制其开启和关闭动作。
c.设置触发信号,控制Q开关在能量积累到峰值时打开(触发释放)。
d.监测输出激光脉冲的波形(使用示波器)和参数(使用脉冲能量计或功率计),包括脉冲宽度、峰值功率、重复频率。
e.根据需要调整Q开关的驱动参数(如驱动幅度、频率、波形)或触发时机,以优化脉冲质量。
Q开关是产生纳秒级至微秒级激光脉冲的常用方法。
2.使用锁模技术:
锁模技术是一种使激光器谐振腔内多个相邻的纵模(频率)实现同步振幅或相位锁定的技术,从而产生超短(皮秒级至飞秒级)激光脉冲。
(1)**工作原理**:激光谐振腔中存在多个能稳定振荡的频率(纵模),它们之间通常存在随机相位差。锁模技术通过引入一个非线性元件(如饱和吸收体、克尔透镜)或施加外部调制,迫使这些纵模以特定关系(通常是等相位或等振幅)振荡。当所有纵模能量叠加时,形成峰值功率极高、持续时间极短的脉冲。
(2)**实施步骤**:
a.选择支持锁模的激光器类型(如光纤激光器、锁模固体激光器)。
b.在激光腔内放置锁模元件。对于主动锁模,需要连接锁模驱动器(如压电陶瓷驱动器)。对于被动锁模,只需加入饱和吸收体。
c.启动激光器,观察输出是否为锁模状态(通常输出呈现串珠状或啁啾脉冲)。
d.使用光谱仪测量激光输出光谱,检查是否存在清晰的梳状纵模结构。
e.如果输出不是锁模状态,检查锁模元件安装是否正确,参数设置是否合适,或尝试更换锁模元件。
f.使用脉冲计或示波器测量锁模脉冲的参数(脉冲宽度、光谱宽度)。
g.对于超短脉冲,可能还需要使用色散补偿元件(如光纤、光栅)来压缩脉冲宽度。
锁模技术是产生超短脉冲、进行超快过程研究、高分辨率光谱等应用的关键。
(二)脉冲重复频率控制
1.使用声光调制器:
声光调制器(Acousto-OpticModulator,AOM)不仅可以用于光束扫描,也可以通过调制声波频率来控制激光脉冲的重复频率。
(1)**工作原理**:AOM作为光开关使用时,通过改变施加到声光换能器上的射频信号频率,可以控制声波在介质中的传播速度和方向,从而控制光束的开关时间。开关时间的倒数即为脉冲重复频率。通过连续调制,可以产生一系列脉冲。
(2)**实施步骤**:
a.将AOM接入激光光路,通常位于激光器之后。
b.连接射频信号发生器,作为AOM的驱动源。
c.设置射频信号发生器的频率,该频率决定了声波速度和光束开关状态的变化速率,从而决定了脉冲重复频率(PRF=1/τ_on,其中τ_on是声波作用时间或光束开启时间)。
d.调整射频信号的幅度,可以控制脉冲的强度。
e.监测输出脉冲序列的重复频率(使用示波器或频率计)和脉冲特性。
AOM响应速度快,易于实现较高的重复频率(MHz量级),适用于需要快速脉冲序列的应用。
2.调整激光器参数:
某些类型的激光器,特别是那些具有可调谐谐振腔长度的激光器(如某些光纤激光器、外腔激光器),可以通过改变谐振腔的物理长度来影响激光模式的间隔,从而调节脉冲重复频率。
(1)**工作原理**:激光器的纵模频率由谐振腔长度(L)、光速(c)和模式序号(m)决定:ν_m=m*c/(2L)。改变L会改变相邻纵模的频率间隔Δν=c/(2L)。锁模时,脉冲重复频率f_rep=c/(2L*Δτ),其中Δτ是锁模间隔。因此,改变L会直接改变脉冲重复频率。
(2)**实施步骤**:
a.确认激光器是否支持通过物理方式(如旋转调谐轮、移动腔镜、改变光纤长度)调节谐振腔长度。
b.执行物理操作以改变谐振腔长度。
c.观察并测量输出激光光谱,确认纵模间隔的变化。
d.使用脉冲计或示波器测量脉冲重复频率的变化。
e.注意调节谐振腔长度可能同时影响激光输出功率、光束质量和锁模状态,需要进行综合评估和微调。
**五、激光光束相位调节**
(一)相位补偿
1.使用相位板:
相位板(PhasePlate)是一种能够对通过它的光波引入特定相位延迟的光学元件。通过引入可控的相位分布,可以实现对光束相位特性的调节。
(1)**类型**:常见的相位板包括相位透镜(PhaseLens)、阶梯相位板(StepPhasePlate)、渐变相位板(TaperedPhasePlate)等。相位透镜类似于普通透镜,但只引入相位变化而不聚焦或发散光束。阶梯相位板和渐变相位板则分别引入突变或渐变的相位延迟。
(2)**工作原理**:当光束通过相位板时,其相位变化量为β=k*Δφ,其中k是波数(k=2π/λ),Δφ是相位板引入的相位延迟。通过设计不同的相位分布,可以实现各种相位补偿效果。
(3)**实施步骤**:
a.根据所需相位补偿的类型(如引入球面相位、非球面相位、特定空间光栅相位)和光束参数(波长、直径),选择合适的相位板。
b.将相位板置于激光光束路径中,通常位于需要补偿相位的光学系统之后或之前。
c.如果相位板带有控制接口,通过控制系统调节其引入的相位延迟量。
d.使用干涉仪、波前传感器或相机等设备监测光束的相位分布或干涉条纹变化,评估相位补偿效果。
e.精确调整相位板的位置和取向,以获得最佳补偿效果。
相位板是进行波前整形、光学相干层析(OCT)等应用中补偿光束畸变或引入特定相位分布的常用工具。
2.利用空间光调制器(SLM):
SLM不仅可以调制光束的振幅,也可以通过在液晶单元上施加特定的电压分布来精确控制每个像素点的相位,从而实现对光束相位分布的复杂调控。
(1)**工作原理**:SLM的液晶单元在电场作用下会产生双折射效应,导致通过的光线发生相位延迟。通过计算并施加相应的电压矩阵,可以实现对整个输出光场相位分布的任意设计。
(2)**实施步骤**:
a.准备或生成所需的光束相位分布数据(通常为2D相位图)。
b.将SLM接入激光光路,通常位于透镜之后。
c.连接SLM驱动器和控制计算机,加载相位分布数据。
d.调整SLM的偏振片(通常需要配合快门和补偿片)以使相位调制有效。
e.使用波前传感器或干涉仪等设备监测输出光束的相位分布,验证SLM的调制效果。
f.根据监测结果,对输入的相位数据进行必要的调整和优化。
SLM在需要动态、复杂相位调控的应用中具有无与伦比的优势,如全息显示、自适应光学、光场成像等。
(二)干涉控制
1.调整干涉仪参数:
在涉及激光干涉的应用中(如干涉测量、干涉仪稳定),通过精确控制干涉仪的臂长差、光学元件的相位或偏振状态,可以实现对干涉条纹对比度、位置和稳定性的调节。
(1)**臂长差调节**:对于迈克尔逊干涉仪、法布里-珀罗干涉仪等,通过移动其中一个反射镜或使用压电陶瓷驱动器精确调整反射镜位置,可以改变两臂的光程差,从而控制干涉条纹的位置和间距。精确的臂长差调节是实现高精度干涉测量的关键。
(2)**光学元件相位调节**:例如,在迈克尔逊干涉仪中,如果使用半透半反镜,可以通过调整其倾斜角度来改变两臂光束的相对相位,影响干涉条纹的形状和对比度。
(3)**偏振控制**:对于使用偏振元件(如偏振片、波片)的干涉系统(如Sagnac干涉仪、补偿干涉仪),通过旋转偏振片或波片的角度,可以控制进入干涉仪两臂光束的偏振态,进而影响干涉效果。
(2)**实施步骤**:
a.确定所需调节的干涉参数(如条纹对比度、条纹位置、干涉稳定性)。
b.根据干涉仪类型,选择合适的调节手段(如精密反射镜移动机构、压电陶瓷、旋转平台、偏振控制器)。
c.连接相应的控制器(如驱动
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