双光源锁定式双频激光器研究

发布时间：2020-01-24 00:13

【摘要】：近年来,随着超精密加工和制造产业的迅猛发展,激光干涉测量技术凭借其非接触、高精度、可溯源等特点成为目前超精密位移测量和精确定位的主流技术手段。其中双频激光测量采用外差干涉测量原理,抗干扰能力更强,测量精度更高,得到了广泛的应用,而双频激光器作为整个外差激光干涉测量系统的核心部件,其性能好坏直接影响干涉测量的精度。本文针对传统共轴双频激光干涉仪中双频光频率混叠引入非线性误差、双频光频差范围有限等问题,研究一种双频光空间分离且频差范围可调的新型非共轴双频激光器,即双光源锁定式双频激光器。结合空间分离型干涉仪推导误差模型,并通过实验对所研制的双频激光器的性能进行验证。论文主要完成工作如下:(1)根据外差干涉测量原理结合空间分离型干涉仪结构,对频率和频差漂移引起的位移测量误差进行分析并建立误差模型,揭示双频激光频差相关参数对测量精度的影响规律。综合考虑电子细分误差和测量光路结构,分析了纳米精度干涉测量下对频差锁定准确度和稳定度的指标需求;(2)针对双光源锁定系统中主、从激光器拍频信号含有噪声、幅值小且波形不理想等问题,设计了高精度、低漂移的偏频信号预处理电路,实现对目标频段内光拍频信号的高精度滤波、放大和整形处理,在此基础上,设计了基于多周期同步测频法的高精度数字测频模块,实现对被测频带内偏频值的精确测量;(3)针对控制对象存在延时长、控制惯性大等问题,利用阶跃辨识法获取被控对象的数学模型,根据其比例增益、热惯性、时间延迟等相关参数,设计了基于Smith-PI的频差锁定稳频控制算法,采用Simulink仿真工具箱进行控制参数仿真,为实际的控制参数整定提供依据。在此基础上设计了高精度数字稳频控制器,实现了从预热控制、双纵模热稳频控制到频差锁定稳频控制的工作流程,保证了频差锁定的精度和复现性。搭建双光源锁定式双频激光器实验装置,针对不同频段的目标频差细调控制参数,测试不同频段频差锁定效果。实验结果表明:本文所设计双光源锁定式双频激光器在以5MHz、10MHz、20MHz、30MHz、40MHz为预设目标频差时,24h内主、从激光器频差抖动范围小于±90k Hz,双频光频差相对激光标称频率的稳定度优于3.8×10~(-10)/24h,满足纳米精度干涉测量下对频差锁定准确度和稳定度的指标需求;
【图文】：

示意图,塞曼效应,增益曲线,纵向

和v0L，如图1-2所示。纵向塞曼激光器输出左旋和右旋圆偏振光，无法直接用于外差激光干涉测量，故一般先采用 1/4 波片将两圆偏振光转换成正交出射的线偏振光，频差可达 4MHz，对应最大测量速度为 1m/s[11]。代表性产品为美国 Agilent 公司（原HP 公司）的 5517 系列和 ZYGO 公司的 7705 系列双频激光器。5517 系列双频激光器其真空波长精度可达 1 10-7，短期频率稳定度为 2×10-9/1h，长期频率稳定度可达 2 10-8/24h；7705 系列双频激光器其真空波长精度为 2 10-7，短期频率稳定度为 1 10-8/1h

示意图,纵模,增益曲线,激光器增益

增益曲线与纵模分布示意图
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN248

【参考文献】