基于空間分離的高速外差激光干涉測(cè)量若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、近年來，隨著超精密工程與納米技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)外差激光干涉儀的測(cè)量精度、測(cè)量速度和抗干擾能力提出了越來越高的要求。高測(cè)速、高精度和高分辨率已經(jīng)成為外差激光干涉測(cè)量技術(shù)的發(fā)展方向。根據(jù)納米科學(xué)研究和超精密工程發(fā)展的要求，外差激光干涉測(cè)量技術(shù)的測(cè)量速度需達(dá)到幾米/秒，分辨率需達(dá)到亞納米量級(jí)，相對(duì)不確定度需達(dá)到10-8~10-9，對(duì)外差激光干涉測(cè)量技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。
　　本課題“基于空間分離的高速外差激光干涉測(cè)量若干關(guān)鍵技術(shù)研究”，在

2、對(duì)外差激光干涉測(cè)量深入研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了影響外差激光干涉測(cè)量的各種限制因素，研究提高外差激光干涉測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量速度、測(cè)量分辨率和測(cè)量精度的方法，本文的主要研究工作如下：
　　針對(duì)現(xiàn)有激光穩(wěn)頻技術(shù)頻率復(fù)現(xiàn)性低和穩(wěn)頻效率低的問題，論文對(duì)影響激光穩(wěn)頻精度的因素進(jìn)行了研究，分析了雙縱模激光器的功率頻率特性，并對(duì)激光器穩(wěn)頻溫度與激光頻率偏移之間的關(guān)系進(jìn)行了研究；然后分析了激光器內(nèi)部熱狀態(tài)與縱模變化的關(guān)系，建立起兩者之間關(guān)系的精確模型。在

3、此基礎(chǔ)上，提出了一種基于縱模級(jí)數(shù)反饋的高頻率復(fù)現(xiàn)性雙縱模激光穩(wěn)頻方法。該方法采用激光器縱模變化監(jiān)測(cè)激光管內(nèi)的熱狀態(tài)變化，可以精確測(cè)量激光管內(nèi)的熱狀態(tài)且不受外部環(huán)境影響。利用縱模級(jí)數(shù)變化與激光器內(nèi)部熱狀態(tài)的關(guān)系特點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)頻控制，可以使激光器在不同的外部環(huán)境下仍可以快速準(zhǔn)確地穩(wěn)定在相同的溫度，從而顯著提高了激光器的頻率復(fù)現(xiàn)性、穩(wěn)頻效率和抗干擾能力。
　　針對(duì)外差激光干涉測(cè)量系統(tǒng)最高測(cè)量速度受激光光源頻差限制的問題，論文以外差激光干涉測(cè)

4、量原理為基礎(chǔ)，分析了激光器頻差與測(cè)量速度的關(guān)系。在上述分析研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于空間分離的高速外差激光干涉測(cè)量方法，該干涉測(cè)量方法生成了兩個(gè)具有相反多普勒頻移的干涉測(cè)量信號(hào)，根據(jù)被測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向和速度，選擇性地使用兩測(cè)量信號(hào)來進(jìn)行干涉測(cè)量，使所選擇測(cè)量信號(hào)的多普勒頻移始終為正，從而解決了光源頻差對(duì)測(cè)量速度的限制。
　　針對(duì)外差激光干涉測(cè)量光學(xué)非線性誤差無法有效抑制補(bǔ)償?shù)膯栴}，論文以外差激光干涉測(cè)量原理為基礎(chǔ)，詳細(xì)分析了傳統(tǒng)

5、非線性誤差的產(chǎn)生機(jī)理和補(bǔ)償方法。針對(duì)傳統(tǒng)非線性誤差模型不夠完善的問題，對(duì)激光干涉儀的高速非線性誤差進(jìn)行了研究，完善了非線性誤差模型，并提出了相應(yīng)的高速非線性誤差解決方法。該方法采用基于空間分離的高速外差激光干涉測(cè)量技術(shù)，在光路中引入了空間分離的參考光和測(cè)量光，消除了干涉測(cè)量系統(tǒng)中的光學(xué)混疊，從而大大減小了干涉測(cè)量非線性誤差。
　　在上述研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)并研制了高速超精密外差激光干涉測(cè)量系統(tǒng)，包括空間分離型雙頻激光器、光電探測(cè)

6、單元、干涉信號(hào)處理單元等，并在此基礎(chǔ)上對(duì)各組成部分進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析。測(cè)量結(jié)果與分析表明，本文設(shè)計(jì)的空間分離型雙頻激光器的頻率穩(wěn)定度優(yōu)于2×10-10，頻率復(fù)現(xiàn)性優(yōu)于1×10-9；光電探測(cè)單元的帶寬為15MHz；干涉信號(hào)處理系統(tǒng)的分辨率為0.62nm；本文外差激光干涉測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量速度突破了光源頻差限制，可以采用小頻差光源實(shí)現(xiàn)高速測(cè)量。該系統(tǒng)的一階非線性誤差約為0.06nm，二階非線性誤差約為0.025nm，高速非線性誤差約為0.05