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1、南京市金陵万国进修学校一级建造师继续教育课程结业报告（论文）相位调制型激光自混合干涉测量微纳米技术的研究撰写人 : 郭冬梅学号 :所属单位 :黑体小一号加粗居中宋体四号加粗黑体小一号加粗居中结 业 报 告 （ 论 文 ） 独 创 性 声 明本 人 郑 重 声 明 ：1、 坚 持 以 “求 实 、 创 新 ”的 科 学 精 神 从 事 研 究 工 作 。2、 本 文 是 我 个 人 在 自 己 的 努 力 下 进 行 的 研 究 工 作 和 取 得 的 研 究 成果 。3、 本 文 中 除 引 文 外 ， 所 有 实 验 、 数 据 和 有 关 材 料 均 是 真 实 的 。4、 本 文 中 除
2、 引 文 和 致 谢 的 内 容 外 ， 不 包 含 其 他 人 或 其 它 机 构 已 经 发表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 。撰写人签名： 日 期： 结业报告（论文）使用授权声明本 人 完 全 了 解 南 京 市 金 陵 万 国 进 修 学 校 有 关 保 留 、 使 用 本 结 业 报告 （ 论 文 ） 的 规 定 ， 学 校 有 权 保 留 学 位 论 文 并 向 国 家 主 管 部 门 或 其 指 定机 构 送 交 本 结 业 报 告 （ 论 文 ） 的 电 子 版 和 纸 质 版 ； 有 权 将 本 结 业 报 告（ 论 文 ） 用 于 非 赢 利 目 的 的 少 量 复
3、制 并 允 许 本 结 业 报 告 （ 论 文 ） 进入 学 校 图 书 馆 被 查 阅 ； 有 权 将 本 结 业 报 告 （ 论 文 ） 的 内 容 编 入 有 关 数据 库 进 行 检 索 。撰写人签名： 日 期： 宋体小四号加粗，段前段后 0 行，行距 28磅宋体二号加粗，段前段后 0 行，单倍行距I摘 要激光自混合干涉是指激光器输出的光被外部物体反射或散射后，其中一部分光又反馈回激光器的谐振腔。反馈光携带了外部物体的信息，与腔内光相混合后，调制激光器的输出，形成自混合干涉。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
4、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。为了提高自混合干涉的微位移测量精度，高精度的相位测量法被引入自混合干涉技术中，已见报道主要有两种方法：注入电流调制和外腔长度调制方法。关键词：自混合干涉，相位调制，电光晶体黑体三号加粗居中，单倍行距，段前段后 1 行宋体小四号，行距 20磅，段前段后 0 行宋体小四号加粗，行距20 磅，段前段后 0 行宋体小四号，行距 20磅，段前段后 0 行1第 1 章 绪论干涉测试技术是以光波干涉原理为基础进行测试的一门技术，与一般的光学成象测试技术相比，具有更高的测试灵敏度和精度；绝大部分的干涉测试都是非接触式的测量，不会给被测件带来表面损伤和附加
5、误差。干涉测试技术应用十分广泛，几乎已经被应用到所有的工业部门和科学研究上。激光的出现，解决了光干涉技术的光源性能问题，半导体激光器的引入，使光源调制灵活，方便且大大减小了光源尺寸和造价问题，结合计算机，则极大的提高了干涉信号的处理速度。1.1 激光自混合干涉技术的兴起及发展 激光自混合干涉是指在激光应用系统中，激光器输出的光被外部物体反射或散射后，其中一部分光又反馈回激光器的谐振腔，反馈光携带外部物体的信息，与激光腔内的光相混合后，调制激光器的输出功率，因输出的光信号与传统的双光束干涉有相似之处，故被称之为自混合干涉（self-mixing interference） 。追溯激光自混合效应的
6、起源，可以归属为激光器外部光反馈效应。由于光反馈作用的结果可严重的影响激光器的输出特性，所以在激光应用系统中，光反馈对系统的影响一直是备受关注的问题。人们总是试图消除光反馈的不利影响，因此研究者特别关注光反馈引起的光噪声 1-2谱线展宽 3-4和相干猝灭现象 5-6等方面的研究，这些效应带给激光系统致命性的破坏。随着研究的深入，人们逐渐由消除光反馈的不利影响到主动利用光反馈现象进行物理量的测量，从而形成激光自混合干涉技术。1.2 激光自混合干涉技术各国研究现状1.2.1 以 S.Donati 为代表的意大利研究小组SDonati 是意大利 Pavia 大学电子系的教授，早在 1975 年就开始
7、研究激光反黑体小三号加粗居中，单倍行距，段前段后 1 行宋体小四号，两端对齐，段落首行左缩进 2 个汉字符，行距 20 磅黑体四号顶左，单倍行距，段前段后 0.5 行黑体小四号顶左，单倍行距，段前段后 0.5 行2馈干涉仪。1978 年他利用背向散射效应，用 He-Ne 激光构成自准直仪 23，之后，研究兴趣一直集中在外腔激光器，研究外部光场对激光器的影响 24。近年来，其研究小组连续报道了他们的研究成果，1995 年，首次研制出用于矢量位移测量的激光管反馈干涉仪 25，该系统在一定反馈强度下，激光器处于双稳态，干涉信号包含位移信息，用硬件电路实现位移的自动测量和方向判别。1996 年，结合个
8、人计算机，考虑温度控制，用软件实现了位移的自动测量和方向辨识 26。在以上研究基础上，1997 年，该小组又报道了不同光反馈水平下位移重构的软件实现 27。该研究小组一直未采用“自混合”术语，而是习惯称之为“单通道”或者“光反馈”干涉仪。该研究小组对自混合干涉位移测量技术的发展，作出了巨大的贡献。1.2.2 以 Gratten 为代表的英国研究小组Gratten 先生是英国 City 大学，电子与信息工程系教授，1993 年，其科研小组报道了光反馈型光纤耦合 LDV，光纤的引入使自混合型 LDV 的信噪比大大提高 28。自 93 年以来开始明确采用：“自混合”术语 15。很快被国际同行接受并使
9、用。其小组注重观察各种自混合干涉现象并加以利用，许多新的实验现象有该小组首先报道，如多模激光的自混合干涉效应、倾斜外腔的倍频现象 29等。提出了独具特色的应用系统，如自混合干涉结构的波长合成系统，自混合干涉结构与微谐振器组合的光学微机械测量系统 30。为自混合干涉的机理探讨和应用研究做出了重要的贡献。3第 2 章 激光自混合干涉效应基本理论及实验研究2.1 激光自混合干涉系统理论模型激光器的自混合即激光反馈效应，激光器输出光被外部物体反射或散射后，其中一部分光又被反馈，并耦合到内激光腔。重新注入的激光与激光腔内的光混合，引起输出功率和频率的变化，形成激光器的自混合效应。当被测物距离激光器的距离
10、小于激光相干长度的一半时，自混合干涉系统可作为复合腔激光器，用三镜腔模型等效，等效图如图 2.1图 2.1 实验装置示意图这里忽略光在外腔中的多次反馈效应。 激光器的发光频率， r1、 r2是激光腔面 M1、 M2的幅值反射率， r3为外部反射镜 M3的幅值反射率， t 是镜面 M2由内腔到外腔的透射系数。合合合合l LPD Laser cavity External cvityM1 M2 M3宋体五号居中，单倍行距，段前 0.5 行，段后 1 行42.2 激光自混合干涉现象定量观察2.2.1 实验装置准直透镜 衰减器 PZT LD PackagePD LD电流电压转换放大 示波器PZT 控制
11、模块RS232图 2.8 半导体激光自混合干涉定量观察实验系统半导体激光自混合干涉定量分析系统的实验装置如图 2.8。将图 2.7 中的He-Ne 激光器换为一个半导体激光器，由半导体激光器中自带的 PD 对自混合干涉信号进行监测，无需外置 PD。由于半导体激光器发光区几何尺寸的不对称。2.2.2 实验结果将图 2.16 和图 2.17 中实验得到的自混合干涉条纹数和表 1 中的理论值相比较发现，实验条纹数和理论值基本符合，也就是从实验上验证了一个自混合干涉条纹对应与外腔 /2 移动，而自混合干涉条纹的倾斜情况则可以用来确定PZT 的位移方向。表 2.1 理论计算得到的 PZT 运动一个周期内
12、干涉条纹数 图 2.12、 2.13 振动幅度（p-p） （m ） 理论计算的条纹数(a)(b)(c)0.7m1.3m2m2.24.16.3宋体五号居中，单倍行距，段前 1 行，段后 0.5 行5第 6 章 结论量程和分辨率的提高是所有测量技术追求的共同目标，自混合干涉系统具有传统干涉系统所无法比拟的结构简单、紧凑、干涉信号含有方向信息等优势，但传统干涉技术由于其悠久的历史、在提高干涉相位测量精度方面积累了许多成熟的技术，相应如此，自混合干涉信号处理方法研究起步较晚，这方面有待于深入研究。为了提高自混合干涉的微位移测量精度，高精度的相位测量法被引入自混合干涉中，已见报道主要有两种方法：线性电流调制和外腔长度调制方法。注入电流调制是半导体激光自混合干涉仪最常用的一种调制方法，通过改变半导体激光器的注入电流来调制单模激光器的输出频率。但电流调制以其固有的缺点，如温漂大、边模抑制比低、波长连续调制范围小等等，制约了其应用的范围。6附录 A表 A1 ELD63NT15 型 LD 电气参数7
