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激光自混合干涉的新型探测方法研究

陈俊雹  
【摘要】:激光自混合干涉自上世纪六十年代被发现以来,在精密测量领域的应用已经得到了广泛的研究。由于系统固有的结构简单、测量精度高、易于准直及非接触性等显著优点,因此具有广阔的应用前景。近几十年,很多高端制造业和重大尖端设备的研发对激光自混合干涉技术提出了更高的要求。而现代光子学测试技术的发展为激光自混合干涉的探测提供了新的方法。提出了 一种激光自混合干涉的双折射光载微波探测方法,研制了基于自混合双频激光多普勒效应的高分辨率测速仪,从双折射光载微波的自混合多普勒频移中准确提取了物体的速度信息。激光自混合干涉具有紧凑的光学结构,自对准和方向可辨识性的优点,而利用双折射双频氦氖激光器产生的稳定的光载微波,又能进一步简化了光源的结构。实验上,我们用低频(毫赫兹)锁相放大器提取了多普勒拍频信号,在时域精确测量了拍频,并计算速率。由于光载微波的高稳定性,与之前的双频自混合激光多普勒测速仪相比,自混合双折射双频激光测速仪的平均速度分辨率提高至0.030mm/s。提出了一种利用硅光电二极管的双光子吸收效应对边缘滤波增强型激光自混合多普勒信号的进行二次探测方法。让激光会聚入射硅光电二极管,发生双光子吸收效应,引入对入射光的二次光电导响应。由双光子吸收引起的二次响应则能抑制光纤光栅增强型激光自混合干涉所增强的谐波,将谐波的振幅降低到噪声水平。实验结果表明,利用商用的硅光电二极管的双光子吸收效应可以实现一种超宽频带滤波器。对于一个未知的待探测的多普勒频率,无需被动地调节滤波截至频率,即可实现滤波。这大大简化了对探测的自混合多普勒信号的处理。而利用光放大器的处理,使多普勒频率的探测信噪比也得到了提高,探测到的4kHz的多普勒信号的信噪比能达到15dB。针对精密位移测量,提出了一种对激光自混合干涉的合成波长测量方法,并构建了简单的合成波长自混合干涉仪。由合成波信号毫米尺度的位移测量得到目标物体的亚纳米级的位移。合理选择了正交偏振双频氦氖激光器的频率差避免模式竞争,调整了自混合干涉仪的光学结构设计,将合成波长技术引入到激光自混合干涉测量中。观察了两个正交偏振模式的自混合干涉条纹信号之间的相位差,通过合成信号的相位变化来测量了目标物体的微小位移。由于合成波长远大与激光波长,可以在无调制、解调的情况下,实现纳米位移测量。研究对比了Ⅲ-Ⅴ族半导体砷化镓与硅光电二极管的双光子探测性能,并基于他们的双光子吸收效应,测量了光纤飞秒激光脉冲的自相关函数。由于激光脉冲在介质中传播时的三阶色散,自相关信号的时域包络包含两个对称的时域旁瓣。利用色散脉冲的时频分布和砷化镓与硅的双光子响应谱分析了自相关信号中的旁瓣的出现位置。与硅相比,砷化镓在脉冲形貌重构中表现出更高的灵敏度,这得益于它的旁瓣信号的信噪比更高,而且旁瓣信号更靠近主峰。在此基础上,使用砷化镓PIN光电二极管测量了的飞秒激光的脉冲宽度,对于脉冲半高宽测量的分辨率与传统的倍频晶体自相关仪的测量分辨率相一致,测量分辨率能达到0.89fs。


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