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633nm稳频激光器频率稳定度测量系统设计

付海金  
【摘要】: 基于633nm稳频激光器构建的激光干涉测量系统具有结构简单、波长稳定度高及光路可见、容易调整等特点,被广泛应用于纳米科学技术研究及精密机械、微电子加工等现代工业制造场合。近年来,随着精密超精密加工尺度向亚微米和纳米迅猛发展,其对激光波长稳定度的要求也进一步提高,激光稳频技术也即成为超精密测量的重要研究热点之一。 频率稳定度是考察激光器稳频性能的重要技术参数。然而在激光稳频技术研究中,由于激光频率超出当前光电探测器的测量范围,因此通常直接采用与I2稳频激光器拍频值或间接采用光频相关物理量值作为频率稳定度的测量与评估指标。但是这两种方法中前者系统价格昂贵且对实验环境要求较高,后者技术参数可信度较低,故而在激光稳频研究中均难以推广,极大地影响了激光稳频技术的研究和进展。 本课题利用HP5518A与待测稳频激光器拍频,研制了一套简单实用的633nm稳频激光器频率稳定度评定系统,为稳频激光器研究过程中稳频算法调试与改进、稳频激光器样机性能测试提供了重要的辅助工具和有力的测试手段。本文主要完成了以下几个方面的工作: (1)分析参考激光器频率稳定度、被测激光器频率稳定以及两激光器拍频值等之间的数学关系,并建立参考激光器、被测激光器频率稳定度相互作用数值模型,为频率稳定度分离提供了理论依据; (2)设计高度空间准直的参考激光器与被测激光器拍频干涉光路,并研究两激光器光路调整方法以获得高对比度的拍频干涉信号。 (3)为拍频干涉光信号构建和设计了光电接受、高频信号预处理和频率测量电路,组成激光拍频信号频率测量系统; (4)设计拍频光信号频率测量数据的记录、存储和处理软件,通过简洁、灵活的人机界面直接得出被测激光器频率稳定度的阿伦方差值; (5)分析不同周期噪声与不同采样时间作用下频率稳定度的表达差异,并研究了空气折射率的波动对激光频率稳定度的影响,进而提出激光器频率稳定度评定系统的工作环境要求。 最后,对同一稳频激光器的性能测试表明,本频率稳定度评定系统所得频率稳定度测量值与中国计量科学研究院的检定结果具有良好的一致性,证明本文评定方法理论分析正确,评定系统测试结果准确可信。


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