波长调制式绝对距离干涉测量关键技术研究

【摘要】：随着航空航天和船舶工业的发展,对于绝对距离测量的要求也越来越高,大型零件的加工与装配提出了大尺寸、高精度绝对距离测量的实际需求。近年来提出的波长调制式绝对距离干涉测量方法,是绝对距离测量中的一种重要的方法,在具有大尺寸测量范围的同时保证了微米级的测量精度,具有广泛的应用前景,其利用一个已知精确长度的参考腔做基准,使用经过波长调制的半导体激光器产生稳定频率的激光,通过干涉,获得与被测绝对距离相关的相位差,从而推算出绝对距离。然而,波长调制式绝对距离干涉测量系统的测量精度受激光光源频率稳定度、参考腔结构稳定性等因素影响极大,这些影响测量精度的关键技术问题亟待解决。本文从波长调制式绝对距离干涉测量的原理出发,根据现有设备及测量基础,分析绝对距离干涉测量误差模型,针对激光光源频率稳定度低的问题,研究半导体激光器偏振光谱锁频技术,并提出稳定性测量方法,在此基础上集成了波长调制式绝对距离干涉测量系统的参考干涉仪部分。本课题的主要研究内容如下:1.针对原子气室控温结构不合理,导致信噪比低、激光频率预锁定时间长、信号丢失等问题,设计了封闭式两侧对称加热结构。利用反向对称缠绕的电阻丝对原子气室进行温度控制,实现快速而稳定地加热原子气室,并且解决了原子气室通光壁面的金属原子凝结问题,从而提高了信噪比,有利于半导体激光器锁频过程中的反馈调节控制;2.针对利用原有的半导体激光器钾原子饱和吸收方法锁频后激光频率稳定度低、频率值稳定单一的问题,设计、搭建了锁频效果更优的铷原子偏振光谱锁频系统,不仅提高了半导体激光器的锁频精度,而且展宽了原子吸收谱线、解决了现有激光器频率值稳定单一的问题,实现了激光器频率值的多值锁定;3.针对现有半导体激光器的激光频率稳定性评价方法精度低的问题,提出了稳定性测量方法,利用椭圆拟合修正对系统的非线性误差进行补偿,设计、编写了相应的稳定性测量软件来进行相位测量以及系统稳定性评定,同时,针对参考腔易受环境干扰导致结构不稳定的问题,设计、搭建了具有结构紧凑稳定、受环境振动影响小、长度漂移小等特点的参考腔,作为绝对距离干涉测量的长度基准。基于上述关键技术研究,本文搭建了外腔半导体激光器偏振光谱频率锁定系统与波长调制式绝对距离干涉测量系统的参考干涉仪,对关键技术单元进行了测试,并利用提出的稳定性测量方法对激光器的激光频率稳定度进行了分析。实验结果表明:本论文提出的稳定性测量方法在激光频率稳定度的评价方面是可行的,设计搭建的偏振光谱锁频系统对半导体激光器锁频后,其激光频率稳定度优于1.5×10-8,并且可以对半导体激光器的频率进行的快速、多频率值锁定。