基于空间分离的高速外差激光干涉测量若干关键技术研究

《基于空间分离的高速外差激光干涉测量若干关键技术研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、国内图书分类号：国际图书分类号：工学博士学位论文基于空间分离的高速外差激光干涉测量若干关键技术研究博士研究生：刁晓飞导师：谭久彬教授申请学位：工学博士学科、专业：仪器科学与技术所在单位：自动化测试与控制系答辩日期：2014年1月7日授予学位单位：哈尔滨工业大学 ClassifiedIndex:U.D.C.:DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringSTUDYONHIGHSPEEDHETERODYNEINTERFEROMETERWITHSPATIALLYSEPARATEDBEAMSCandidate：Supervisor：DiaoXiaof

2、eiProf.TanJiubinAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringInstrumentationScienceandSpeciality：TechnologyDepartmentofAutomaticUnit：MeasurementandControlDateofOralExamination：University：2014.01.07HarbinInstituteofTechnology 摘要摘要近年来，随着超精密工程与纳米技术的不断发展，对外差激光干涉仪的测量精度、测量速度和抗干扰能力提出了越来越高的要求。高测速、高精度和高分辨

3、率已经成为外差激光干涉测量技术的发展方向。根据纳米科学研究和超精密工程发展的要求，外差激光干涉测量技术的测量速度需达到几米/秒，分辨率需达到亚纳米量级，相对不确定度需达到10-8~10-9，对外差激光干涉测量技术提出了新的挑战。本课题“基于空间分离的高速外差激光干涉测量若干关键技术研究”，在对外差激光干涉测量深入研究的基础上，重点分析了影响外差激光干涉测量的各种限制因素，研究提高外差激光干涉测量系统测量速度、测量分辨率和测量精度的方法，本文的主要研究工作如下：针对现有激光稳频技术频率复现性低和稳频效率低的问题，论文对影响激光稳频精度的因素进行了研究，分析了双纵模激光器的功率频率特性，并

4、对激光器稳频温度与激光频率偏移之间的关系进行了研究；然后分析了激光器内部热状态与纵模变化的关系，建立起两者之间关系的精确模型。在此基础上，提出了一种基于纵模级数反馈的高频率复现性双纵模激光稳频方法。该方法采用激光器纵模变化监测激光管内的热状态变化，可以精确测量激光管内的热状态且不受外部环境影响。利用纵模级数变化与激光器内部热状态的关系特点进行稳频控制，可以使激光器在不同的外部环境下仍可以快速准确地稳定在相同的温度，从而显著提高了激光器的频率复现性、稳频效率和抗干扰能力。针对外差激光干涉测量系统最高测量速度受激光光源频差限制的问题，论文以外差激光干涉测量原理为基础，分析了激光器频差与测量

5、速度的关系。在上述分析研究的基础上，提出了一种基于空间分离的高速外差激光干涉测量方法，该干涉测量方法生成了两个具有相反多普勒频移的干涉测量信号，根据被测目标的运动方向和速度，选择性地使用两测量信号来进行干涉测量，使所选择测量信号的多普勒频移始终为正，从而解决了光源频差对测量速度的限制。针对外差激光干涉测量光学非线性误差无法有效抑制补偿的问题，论文以外差激光干涉测量原理为基础，详细分析了传统非线性误差的产生机理和补偿方法。针对传统非线性误差模型不够完善的问题，对激光干涉仪的高速非线性误差进行了研究，完善了非线性误差模型，并提出了相应的高速非线-I- 哈尔滨工业大学工学博士学位论文性误差解

6、决方法。该方法采用基于空间分离的高速外差激光干涉测量技术，在光路中引入了空间分离的参考光和测量光，消除了干涉测量系统中的光学混叠，从而大大减小了干涉测量非线性误差。在上述研究的基础上，本文设计并研制了高速超精密外差激光干涉测量系统，包括空间分离型双频激光器、光电探测单元、干涉信号处理单元等，并在此基础上对各组成部分进行了实验验证与分析。测量结果与分析表明，本文设计的空间分离型双频激光器的频率稳定度优于2×10-10，频率复现性优于1×10-9；光电探测单元的带宽为15MHz；干涉信号处理系统的分辨率为0.62nm；本文外差激光干涉测量系统的测量速度突破了光源频差限制，可以采用小频差光源

7、实现高速测量。该系统的一阶非线性误差约为0.06nm，二阶非线性误差约为0.025nm，高速非线性误差约为0.055nm。关键词外差激光干涉测量；He-Ne激光稳频；激光频率复现性；非线性误差；高速测量-II- AbstractAbstractWiththedevelopmentoftheultraprecisionengineeringandnanotechnologyinrecentyears,therearemoreandmorerequ