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激光自混合光栅干涉微纳米传感技术的研究

施立恒  
【摘要】:当激光被外部目标反射或衍射并反馈回激光器时,会调制激光器的输出特性,这一现象被称为激光自混合干涉。随着激光自混合干涉技术的成熟,各种新型激光自混合传感系统被开发出来。激光自混合干涉系统具有和传统双光束干涉系统相当的条纹分辨率,且激光器兼具输入和输出功能,具有极高的灵敏度且系统结构简单紧凑,在许多领域可取代传统激光干涉仪。而本文提出的激光自混合光栅干涉将光栅衍射光反馈回激光器,获得的自混合信号以光栅栅距为测量基准,受环境因素影响更小。论文分析了激光自混合光栅干涉的理论模型,并设计了几个微纳米位移传感系统。论文的主要工作如下:提出了用于测量光栅的一维位移的多重衍射激光自混合光栅干涉系统。基于傅里叶光学理论和三镜腔模型,对激光自混合光栅干涉的理论模型进行了分析,得到了自混合干涉条纹和目标沿光栅矢量方向位移的关系。设计了多重衍射光路,使自混合干涉条纹分辨率得到成倍提升。在实验中引入正弦相位调制和正交解调算法实现了一维微位移重构,五重衍射下的系统测量精度达到纳米级。提出了可以同时进行面内-面外二维位移测量的正交偏振激光自混合光栅干涉系统。分析了当光栅发生面内-面外二维位移时对反馈光的影响,设计了利用不同衍射级数光反馈实现同时解调二维位移的方案。基于Lamb半经典理论,推导了双折射双频He-Ne激光器在弱反馈近似下的输出功率模型。使不同反馈光之间偏振正交,避免了不同反馈光路间的信息混叠;基于频分复用的正弦相位调制技术,在频域实现对不同反馈光信息的分离,因此实际探测时只需要一个光电探测器。实验中令二维压电纳米定位台做不同李萨如图运动,二维位移重构结果表明系统精度在亚微米级,且面外位移不会对光路结构产生影响。提出了多重反馈环型腔光纤激光自混合干涉系统。基于Dragic的环型腔掺铒光纤激光器模型和等效反射率理论,建立了环型腔掺铒光纤激光自混合干涉模型,通过引入额外的环形器实现多重反馈,使自混合干涉条纹密度提升了一倍。分析了光准直器表面反射对自混合干涉条纹形状的影响,并通过实验调节外腔损耗加以验证。基于短时傅里叶变换,实现对信号的时频分析,并提出了双峰值频率识别算法提取信号的时域多普勒频率。实验使用伺服电机平移台作为测速标定,在要求更高精度的场合替换为压电陶瓷促动器,结果表明该系统的可靠性高,速度测量精度优于0.1mm/s。


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