基于激光系统的动态特性分析与声学特性研究
发布时间：2021-06-25 16:34
随着科学的不断进步与发展,人们对测量精度的要求也日益提高。因此,激光器作为高精度测量的基本实验工具,其输出频率的稳定程度也备受人们的关注。外腔半导体激光器（ECDL）的外腔结构设计为优化激光器性能多提供了一种可控的途径。它具有线宽窄、单模输出、连续调谐等优点。但是,由于外腔的存在,ECDL对恶劣的环境非常敏感。也就是说,它可以为测量和分析材料的声音响应和隔声特性提供非常方便的工具。以ECDL为核心,改善激光声响应特性,抑制环境振动和噪声干扰引起的激光系统漂移,是物理精密测量领域结构设计的关键。一般情况下,声致振动与室温变化、机械振动、电噪声等干扰相互耦合,导致了激光器输出频率上下起伏,因此激光输出频率对声信号的动态响应特性很难单独研究。实现声响应与环境噪声的解耦,减小系统漂移,并以系统动态响应参数为依据,获得宽带宽、高稳定性与响应快的实验系统为实验的基本工作,为声音响应的测量做准备。本文在闭环系统中利用电流反馈与电压反馈同时纠正误差信号,通过优化系统参数将低频区增益压制开环的万分之一,同时将带宽扩展到百KHz量级,有效地抑制了环境噪声对激光频率的影响。在测量系统的动态响应时,选择包含多...
【文章来源】：山西大学山西省
【文章页数】：45 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
1基于偏振光谱的稳频装置图
基于激光系统的动态特性分析与测量8图2.1.2饱和吸收谱与由偏振光谱获得的鉴频曲线2.2系统的动态特性测量测量系统动态特性曲线是判断实验系统是否处于稳定状态的的重要依据，通常，描述任何系统的动态响应的方法可以分为三种，第一种是传输函数法，传输函数为线性化定常系统在零初始条件下，系统输出的信号的拉式变换Y(s)与输入信号拉氏变换X(s)之间的比值，可以表示为=()=+11+…+1+0+11+…+1+0，（2.1）由传输公式（2.1）可以看出传输函数与外界作用以及初始条件无关，只取决于系统以及具体器件的结构参数，不会随着输入变化而变化。第二种是微分方程法，一般的线性测试系统可以用微分方程来描述系统输入x(t)与输出y(t)之间的关系，可表示为：+111+…+1+0=+111+…+1+0（2.2）微分方程常用于对系统的时域状态分析。第三种方法为频率响应法，频率响应是在频域范围内对所测量的系统的动态分析。本文中主要采取频率响应法描述实验环路的动态特性，通常，人们易于想到的测量系统动态特性的常规方法是正弦波调制法，即将一系列幅度相同的正弦调制信号输入到激光器的电流调制端口，采集调制信号与激光器的输出频率，经过快速傅里叶变换后得到该频率点处的幅度信息，通过输出信号与输入信号的幅值比来描述系统特性，此时幅度随频率的变
第二章激光系统的动态特性分析9化情况直接反映了激光频率变化与调制信号之间的关系，即为系统的动态响应特性。这种方法的理论很简单，便于理解，但是如果系统的带宽在百kHz量级时，实验过程中需要多次操作、工作繁复、数据分析处理时间过长。为进一步简化测量系统动态响应的步骤，提高工作效率与工作准确度，实验中采用方波信号调制激光器，从理论角度分析，方波的傅里叶变换公式为：ft=2sin+133+155+…]（2.3）由公式（2.3）可以分析得到，频率为的方波是由频率为（2n-1）的正弦波叠加而成的，其对应的振幅为1/（2n-1）,（n=1、2、3……），因此，一个方波信号可认为是由一系列的正弦波叠加得到的，并且每个正弦波所对应的振幅之间遵循某种规律。从实验角度分析，选取任意的正弦波信号，对该信号进行快速傅里叶分析，如图2.2.1所示，（a）为幅度为40mV、频率为40Hz的方波信号，（b）为对图（a）FFT分析的结果。图2.2.1（a）：40Hz的方波信号示意图（b）：对（a）进行快速傅里叶变换的结果由图2.2.1（b）分析可以发现40Hz方波信号中包括40Hz、120Hz、200Hz、、2140Hz等频率成分，各阶谐波的幅度随着谐波阶数增加而逐渐减小，而且幅度的衰减遵从的规律为1/（2n-1）,n=1、2、3…….虽然采用方波测量的方法提高了实验的效率，但是在origin数据处理时，首先需要将存储的信号做FFT处理，接着借助excel表格编辑公式筛选频率间隔为2ω的一系列
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于激光雷达测绘技术在矿山地形测量中的精度分析[J]. 曾祥凯. 世界有色金属. 2020(01)
[2]主动降噪耳机的技术分析[J]. 师瑞文. 电子世界. 2019(11)
[3]速率偏频激光陀螺惯导系统航向敏感误差分析与补偿[J]. 江一夫,李四海,徐兵华,严恭敏. 中国惯性技术学报. 2018(05)
[4]空间窄线宽激光器腔前耦合光学系统研制[J]. 刘军,许冠军,张林波,陈龙,张秀萍,江晨晖,刘涛. 时间频率学报. 2018(04)
[5]船舶加筋舱壁的隔音性能数值分析模型研究[J]. 张惠芳,任军. 舰船科学技术. 2018(18)
[6]柔性吸声隔音降噪纺织复合材料[J]. 张春春,巩继贤,范晓丹,李辉芹,李政,张健飞. 复合材料学报. 2018(08)
[7]激光器系统声音响应和隔音特性研究[J]. 王彦华,秦林,任欢,王军民. 中国激光. 2018(07)
[8]空间窄线宽激光器光学系统研究[J]. 张秀萍,张林波,刘军,江晨晖,许冠军,陈龙,刘涛,张首刚. 光学学报. 2018(04)
[9]光栅外腔反馈半导体激光器及稳频系统的动态特性测试[J]. 秦利娟,秦林,王彦华,王军民. 山西大学学报(自然科学版). 2017(04)
[10]泡沫铝材料对发电机噪声的隔音性能研究[J]. 魏莉,刘贺,田宇楠,李玉海. 功能材料. 2015(14)
硕士论文
[1]高稳定的ECDL系统及其动态特性研究[D]. 黄丹.山西大学 2016
[2]窄线宽单纵模光纤激光器稳频技术的研究[D]. 湛彪.华南理工大学 2013
本文编号：3249548
【文章来源】：山西大学山西省
【文章页数】：45 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
1基于偏振光谱的稳频装置图
基于激光系统的动态特性分析与测量8图2.1.2饱和吸收谱与由偏振光谱获得的鉴频曲线2.2系统的动态特性测量测量系统动态特性曲线是判断实验系统是否处于稳定状态的的重要依据，通常，描述任何系统的动态响应的方法可以分为三种，第一种是传输函数法，传输函数为线性化定常系统在零初始条件下，系统输出的信号的拉式变换Y(s)与输入信号拉氏变换X(s)之间的比值，可以表示为=()=+11+…+1+0+11+…+1+0，（2.1）由传输公式（2.1）可以看出传输函数与外界作用以及初始条件无关，只取决于系统以及具体器件的结构参数，不会随着输入变化而变化。第二种是微分方程法，一般的线性测试系统可以用微分方程来描述系统输入x(t)与输出y(t)之间的关系，可表示为：+111+…+1+0=+111+…+1+0（2.2）微分方程常用于对系统的时域状态分析。第三种方法为频率响应法，频率响应是在频域范围内对所测量的系统的动态分析。本文中主要采取频率响应法描述实验环路的动态特性，通常，人们易于想到的测量系统动态特性的常规方法是正弦波调制法，即将一系列幅度相同的正弦调制信号输入到激光器的电流调制端口，采集调制信号与激光器的输出频率，经过快速傅里叶变换后得到该频率点处的幅度信息，通过输出信号与输入信号的幅值比来描述系统特性，此时幅度随频率的变
第二章激光系统的动态特性分析9化情况直接反映了激光频率变化与调制信号之间的关系，即为系统的动态响应特性。这种方法的理论很简单，便于理解，但是如果系统的带宽在百kHz量级时，实验过程中需要多次操作、工作繁复、数据分析处理时间过长。为进一步简化测量系统动态响应的步骤，提高工作效率与工作准确度，实验中采用方波信号调制激光器，从理论角度分析，方波的傅里叶变换公式为：ft=2sin+133+155+…]（2.3）由公式（2.3）可以分析得到，频率为的方波是由频率为（2n-1）的正弦波叠加而成的，其对应的振幅为1/（2n-1）,（n=1、2、3……），因此，一个方波信号可认为是由一系列的正弦波叠加得到的，并且每个正弦波所对应的振幅之间遵循某种规律。从实验角度分析，选取任意的正弦波信号，对该信号进行快速傅里叶分析，如图2.2.1所示，（a）为幅度为40mV、频率为40Hz的方波信号，（b）为对图（a）FFT分析的结果。图2.2.1（a）：40Hz的方波信号示意图（b）：对（a）进行快速傅里叶变换的结果由图2.2.1（b）分析可以发现40Hz方波信号中包括40Hz、120Hz、200Hz、、2140Hz等频率成分，各阶谐波的幅度随着谐波阶数增加而逐渐减小，而且幅度的衰减遵从的规律为1/（2n-1）,n=1、2、3…….虽然采用方波测量的方法提高了实验的效率，但是在origin数据处理时，首先需要将存储的信号做FFT处理，接着借助excel表格编辑公式筛选频率间隔为2ω的一系列
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于激光雷达测绘技术在矿山地形测量中的精度分析[J]. 曾祥凯. 世界有色金属. 2020(01)
[2]主动降噪耳机的技术分析[J]. 师瑞文. 电子世界. 2019(11)
[3]速率偏频激光陀螺惯导系统航向敏感误差分析与补偿[J]. 江一夫,李四海,徐兵华,严恭敏. 中国惯性技术学报. 2018(05)
[4]空间窄线宽激光器腔前耦合光学系统研制[J]. 刘军,许冠军,张林波,陈龙,张秀萍,江晨晖,刘涛. 时间频率学报. 2018(04)
[5]船舶加筋舱壁的隔音性能数值分析模型研究[J]. 张惠芳,任军. 舰船科学技术. 2018(18)
[6]柔性吸声隔音降噪纺织复合材料[J]. 张春春,巩继贤,范晓丹,李辉芹,李政,张健飞. 复合材料学报. 2018(08)
[7]激光器系统声音响应和隔音特性研究[J]. 王彦华,秦林,任欢,王军民. 中国激光. 2018(07)
[8]空间窄线宽激光器光学系统研究[J]. 张秀萍,张林波,刘军,江晨晖,许冠军,陈龙,刘涛,张首刚. 光学学报. 2018(04)
[9]光栅外腔反馈半导体激光器及稳频系统的动态特性测试[J]. 秦利娟,秦林,王彦华,王军民. 山西大学学报(自然科学版). 2017(04)
[10]泡沫铝材料对发电机噪声的隔音性能研究[J]. 魏莉,刘贺,田宇楠,李玉海. 功能材料. 2015(14)
硕士论文
[1]高稳定的ECDL系统及其动态特性研究[D]. 黄丹.山西大学 2016
[2]窄线宽单纵模光纤激光器稳频技术的研究[D]. 湛彪.华南理工大学 2013
本文编号：3249548
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