激光自混合干涉位相调制技术的研究

论文摘要

激光自混合干涉技术（SMI）是一种新型的计量技术，从80年代开始应用于干涉测量。激光自混合干涉是指激光器的输出光被外部物体反射或散射后，其中一部分光被反馈回激光器的谐振腔，反馈光携带了外部物体的信息，与腔内光混合后，调制输出功率变化。激光的自混合干涉来源于激光器的外部光反馈效应，以前人们总是设法消除光反馈的影响，后来逐渐的由消除光反馈的不利影响到主动利用光反馈效应检测物理量，从而形成了一门新的技术。与传统干涉相比，自混合干涉的光学系统仅有一个干涉通道，结构简单、紧凑，且易准直，因此自混合干涉技术受到越来越多国内外学者的关注，被广泛用于位移、速度、振动测量等领域。为了提高测量精度，一些调制解调的方法被引入自混合干涉信号的分析中，现在主要有注入电流调制法和外腔调制法。但由于这两种调制方法本身的缺点，调相的精度难以保证，制约了其应用的范围。把激光自混合干涉理论和位相调制测量技术结合，将电光晶体（LiNbO3）引入自混合干涉外腔调制，利用晶体的调制性能，能对自混合干涉信号进行有效的位相调制。因此，基于该机理制成的干涉仪具有结构非常简单、紧凑突出特点，在仪器小型化、集成化方面极具潜力。本文介绍了电光晶体的光学和电光性质，利用软件分别对电光晶体、电极和晶体的电光效应进行了模拟，并从自混合干涉和电光晶体调制位相的基本原理出发，将电光晶体引入自混合干涉外腔调制，研究了自混合干涉测量中电光晶体的位相调制技术。实验证明，利用晶体的调制性能，对自混合干涉信号进行位相调制，在很宽的频率范围（20Hz～100KHz）内都能保证很高的调制精度，测量误差小。在此基础上，本文提出了微型位相调制自混合干涉仪的构想，将光学和微机械加工工艺相结合，对微型干涉仪的光路部分，系统布置和微调器件进行了分析，设计了微型位相调制自混合干涉仪系统，使其微型化、集成化、实用化，以适应纳米测量的新要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 激光自混合干涉技术的研究意义
• §1.2 激光自混合干涉位相调制技术的发展需求
• §1.3 微型位相调制自混合干涉仪的研究意义
• §1.4 课题来源及本文主要研究内容
• 第二章 电光晶体位相调制的理论研究
• §2.1 电光晶体的位相调制
• §2.2 电光晶体及其位相调制的模拟与分析
• §2.2.1 铌酸锂晶体在外加电场中折射率变化关系推导
• §2.2.2 电光晶体与电极的模拟
• §2.2.2.1 电光晶体的模拟
• §2.2.2.2 电极的模拟
• §2.2.3 电光晶体位相调制的模拟
• §2.3 本章小结
• 第三章 自混合干涉信号位相调制的方法
• §3.1 自混合干涉调制信号的原理
• §3.2 实验装置和实验结果
• §3.2.1 调制电压与信号的关系
• §3.2.2 调制频率与信号的关系
• §3.2.3 不同波形的调制情况
• §3.3 本章小结
• 第四章 微型位相调制自混合干涉仪的设计与研制
• §4.1 微型干涉仪光路的设计与分析
• §4.1.1 半导体激光器及封装
• §4.1.2 棱镜的选择
• §4.1.3 电光调制器封装
• §4.2 系统的整体设计和研制
• §4.2.1 微型干涉仪衬底及外壳设计
• §4.2.2 系统测试结果
• §4.2.3 高压放大器设计
• §4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 附录
• 读研期间发表的论文
• 致谢