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高分辨率激光自混合测量系统的研究

魏铮  
【摘要】:自二十一世纪以来,纳米技术成为了继生物技术、光电子技术外的最重要的技术之一,发达国家都将其列为战略性的基础研究项目。纳米测量技术作为纳米技术的重要组成部分,在精密加工、航天国防等领域中具有举足轻重的地位。近年来,激光自混合干涉因其结构紧凑、成本低、易准直、高精度等显著优点在激光测量领域迅速崛起。激光自混合干涉技术受到国内外研究学者的广泛研究,目前已发展成为一种新型的高分辨率高精度的传感测量手段,并被广泛应用于位移、振动、速度、生物医学等领域。本文围绕半导体激光器自混合干涉效应,拟通过光学系统的优化设计和信号处理分析两个方面深入开展高分辨率高精度纳米量级微振动测量研究。首先概述了激光自混合干涉的发展历史与应用研究进展;以三镜腔模型为基础,对半导体激光自混合干涉的理论进行详细的推导并建立了系统的数学模型,利用MATALB数学软件模拟分析了各参数对自混合信号的影响;从时域和频域分别对位移重构的相位解包裹法和相位调制法进行理论分析与模拟仿真。在此基础上,本文提出了一种自混合条纹时域分析的偶次幂快速算法,该方法能极大地提高自混合条纹精度,具有在光路中不增加任何额外光学元件的优点,从而极大地拓展了自混合技术在纳米测量领域的应用。此外,本文还提出一种基于多次反射技术的自混合信号频谱分析方法,从频域上实现了外部物体振幅的快速解调,该方法具有测量范围宽、获取振幅快、测量精度高的显著优点。文章还设计了基于LabVIEW的大量程快速实时激光自混合传感系统,该光机电一体化系统具有完成纳米分辨率振动对象的实时监测能力。本文开展的研究工作与设计的大量程快速实时传感系统展示了激光自混合测量技术的高分辨率和高精度的优势,深化了对激光自混合干涉测量技术的认识和理解,在一定程度上推动了激光自混合干涉技术在非接触纳米测量领域的应用。


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