猫眼谐振腔氦氖激光器及其位移传感器

论文摘要

激光谐振腔的稳定性问题是影响激光器性能的重要研究课题,传统的谐振腔激光器对腔镜的失调非常敏感。本文研究使用猫眼谐振腔提高氦氖激光器的稳定性,及两种基于猫眼谐振腔氦氖激光器的新型位移传感器。本文的实验证明,在半外腔和全外腔结构的氦氖激光器中应用猫眼谐振腔后稳定性得以大幅度提高,其反射镜的最大允许失调角度比普通反射镜分别提高了10倍和60倍,功率漂移显著减小;当保证猫眼逆向器的凸透镜中心位于激光增益管的毛细管轴线上时,可以实现猫眼谐振腔的免调试实验,并以此为基础成功研制了半外腔和全外腔结构的免调试氦氖激光器;调整猫眼逆向器中凸透镜与凹面镜的间距可以改变输出激光的横模状态,从而保证基横模输出。对猫眼谐振腔氦氖激光器开展了深入的理论分析,包括用等价共焦腔理论分析了猫眼谐振腔中的高斯光束特性;用几何光学和矩阵光学的方法、并借用失调灵敏度参量的概念分析了猫眼谐振腔的失调特性;分别研究了尺寸误差和离轴误差对谐振腔特性的影响;对谐振腔中插入楔形元件后对谐振腔性能的影响进行研究;用牛顿-柯特斯公式求解衍射积分方程的方法分析了猫眼谐振腔的横模选择现象。各种理论分析与实验结果符合的比较理想。“位移自传感激光器系统”是猫眼谐振腔氦氖激光器应用于位移传感领域的成功范例。本文为解决仪器的长期稳定性问题做了诸多改进,使之成为能真正应用于工业领域的较成熟仪器,并将其用途拓展,可用来测量绝对量块厚度和标定电感测微仪的精度和线性度。本文提出、设计了“猫眼折叠腔”并以此为基础研制了“猫眼折叠腔——位移自传感激光器系统”。论述了其工作原理、两种结构方案和制作过程;理论分析并用对比实验验证了“猫眼折叠腔”相比普通的猫眼谐振腔更具稳定性;用该仪器进行了实际位移测量,获得了稳定而理想的两正交偏振光的功率调谐曲线;用HP5529A激光干涉仪对该仪器做了标定,证明现有仪器的分辨率为39.55nm,量程为14.4mm,线性度误差为4.2×10-5;对测量结果进行了误差分析,并提出了新电箱的设计方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 传统激光谐振腔的稳定性问题
• 1.2 猫眼激光谐振腔的研究现状
• 1.2.1 猫眼效应
• 1.2.2 猫眼逆向器
• 1.2.3 猫眼激光谐振腔
• 1.3 选题的背景和意义
• 1.4 应用于氦氖激光器中的猫眼谐振腔
• 1.4.1 猫眼逆向器的选择
• 1.4.2 氦氖激光器是应用猫眼谐振腔的理想领域
• 1.5 本论文的主要内容
• 1.6 本章小结
• 第2章 猫眼谐振腔与传统谐振腔的稳定性对比实验
• 2.1 半外腔氦氖激光器中三种谐振腔的稳定性对比实验
• 2.1.1 实验装置
• 2.1.2 三种谐振腔中反射镜的最大允许失调角度
• 2.1.3 反射镜沿直线导轨移动时三种谐振腔输出功率的变化
• 2.1.4 应用三种谐振腔时激光功率的漂移
• 2.2 全外腔氦氖激光器中两种谐振腔的稳定性对比实验
• 2.2.1 实验装置
• 2.2.2 两种谐振腔中反射镜的最大允许失调角度
• 2.2.3 两种谐振腔中反射镜垂直于毛细管轴线的位移
• 2.2.4 平面输出境的允许失调角度
• 2.2.5 应用两种谐振腔时激光功率漂移的对比实验
• 2.2.5.1 良好工作环境下的激光功率漂移对比实验
• 2.2.5.2 恶劣工作环境下的激光功率漂移对比实验
• 2.2.5.3 开机8－40 分钟内的激光功率漂移对比实验
• 2.3 本章小结
• 第3章 免调试猫眼谐振腔氦氖激光器
• 3.1 半外腔——免调试猫眼谐振腔氦氖激光器
• 3.1.1 理论基础
• 3.1.2 半外腔氦氖激光器中应用猫眼谐振腔的免调试实验
• 3.1.3 半外腔——免调试猫眼谐振腔氦氖激光器的制作
• 3.1.3.1 猫眼逆向器装配机构的制作
• 3.1.3.2 猫眼逆向器的检测
• 3.1.3.3 激光增益管的制作
• 3.2 全外腔——免调试猫眼谐振腔氦氖激光器
• 3.2.1 全外腔氦氖激光器中应用猫眼谐振腔的免调试实验
• 3.2.2 全外腔——免调试猫眼谐振腔氦氖激光器的制作
• 3.3 本章小结
• 第4章 猫眼谐振腔氦氖激光器的理论分析
• 4.1 猫眼谐振腔氦氖激光器的高斯光束特性
• 4.1.1 基横模束腰的位置及尺寸
• 4.1.2 基横模的模体积
• 4.1.3 基横模的远场发散角
• 4.1.4 高阶横模的情况
• 4.2 猫眼谐振腔氦氖激光器的失调特性分析
• 4.2.1 几何光学方法分析对比传统谐振腔和猫眼谐振腔的失调特性
• 4.2.1.1 传统谐振腔
• 4.2.1.2 猫眼谐振腔
• 4.2.2 矩阵光学方法分析对比传统谐振腔和猫眼谐振腔的失调特性
• 4.2.2.1 猫眼谐振腔
• 4.2.2.2 传统谐振腔
• 4.2.2.3 结果分析
• 4.3 猫眼谐振腔氦氖激光器的误差分析
• 4.3.1 猫眼逆向器中的尺寸误差对猫眼谐振腔的影响
• 4.3.1.1 凸透镜的焦距存在误差
• 4.3.1.2 凸透镜与凹面镜的间距存在误差
• 4.3.1.3 凹面镜曲率半径存在误差
• 4.3.2 猫眼逆向器中的离轴误差对猫眼谐振腔的影响
• 4.4 腔内插入的楔形元件时猫眼谐振腔氦氖激光器的失调特性研究
• 4.4.1 传统谐振腔
• 4.4.2 猫眼谐振腔
• 4.4.3 结果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 猫眼激光谐振腔横模选择特性研究
• 5.1 猫眼谐振腔横模选择现象
• 5.2 用牛顿－柯特斯公式求解衍射积分方程的方法分析猫眼谐振腔横模特性
• 5.2.1 猫眼逆向器的参数变化
• 5.2.2 激光谐振腔二维衍射积分方程
• 5.2.3 二维衍射积分方程的有限矩阵形式
• 5.2.4 计算结果及分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 位移自传感激光器系统
• 6.1 仪器最初的技术方案
• 6.1.1 总体结构
• 6.1.2 工作原理
• 6.1.3 系统存在的稳定性问题
• 6.2 应用猫眼激光谐振腔后的位移自传感激光器系统
• 6.3 位移自传感激光器系统的进一步改进
• 6.3.1 测头部分的改进
• 6.3.1.1 激光增益管的制作
• 6.3.1.2 双折射元件的选择
• 6.3.1.3 滑动导轨的设计
• 6.3.1.4 仪器测头的封装
• 6.3.2 电路部分的改进
• 6.4 位移自传感激光器系统用途的延伸
• 6.4.1 测量量块厚度
• 6.4.2 电感测微仪的标定
• 6.5 本章小结
• 第7章 猫眼折叠腔——位移自传感激光器系统研究
• 7.1 猫眼折叠腔——位移自传感激光器系统的第一种方案
• 7.1.1 仪器结构
• 7.1.2 仪器工作原理
• 7.1.3 仪器的制作
• 7.1.3.1 猫眼逆向器的检测
• 2 的调整方法'>7.1.3.2 反射角M₂的调整方法
• 7.2 猫眼折叠腔——位移自传感激光器系统的第二种方案
• 7.2.1 仪器的结构
• 7.2.2 仪器的制作
• 7.2.2.1 特殊窗片的镀膜
• 7.2.2.2 激光增益管的制作
• 7.3 猫眼折叠腔与普通猫眼谐振腔的稳定性对比
• 7.3.1 理论分析
• 7.3.1.1 猫眼逆向器处于理想状态时
• 7.3.1.2 猫眼逆向器存在尺寸误差时
• 7.3.1.3 猫眼逆向器存在离轴误差时
• 7.3.2 对比实验
• 7.4 猫眼折叠腔免调试实验
• 7.5 猫眼折叠腔——位移自传感激光器系统的位移测试曲线
• 7.6 猫眼折叠腔——位移自传感激光器系统的标定
• 7.6.1 与HP5529A激光干涉仪的实验比对
• 7.6.2 测试结果分析
• 7.6.2.1 拟合曲线
• 7.6.2.2 测量范围
• 7.6.2.3 线性度
• 7.6.2.4 标准差
• 7.6.2.5 测量的重复性
• 7.6.3 仪器小量程内的位移测试
• 7.6.4 仪器零点漂移的测试
• 7.6.5 误差分析
• 7.6.5.1 滑动导轨的精度
• 7.6.5.2 温度变化的影响
• 7.6.5.3 四区不均引起的误差
• 7.6.5.4 起始和终止时不足仪器分辨率的位移量
• 7.6.5.5 波长的取值
• 7.7 电箱的新设计方案
• 7.8 本章小结
• 第8章 论文工作总结及展望
• 8.1 论文总结
• 8.2 创新点
• 8.3 进一步的研究工作
• 参考文献
• 致谢
• 附录A
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果