声光式外差激光干涉系统的设计与实现

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 1.65MB 46 页 15积分

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ....................................................... 1

1.1 课题研究背景 ................................................. 1

1.2 外差激光干涉仪系统概述 ....................................... 1

1.2.1 外差光源 ................................................. 1

1.2.2 外差测量系统在机械量测量中的应用 ......................... 6

1.3 论文的主要工作 ............................................... 9

第二章声光调制器 ................................................. 11

2.1 声光调制的物理基础 .......................................... 11

2.2 声光互作用的衍射模式 ........................................ 12

2.2.1 拉曼-纳斯衍射 ........................................... 12

2.2.2 布喇格衍射 .............................................. 13

2.3 声光器件的结构及主要参数 .................................... 15

2.3.1 声光器件的结构 .......................................... 15

2.3.2 声光器件的参数 .......................................... 16

2.4 环境因素对声光调制器的影响 .................................. 18

2.5 MT633 型 TeO2 声光调制器简介及参数描述 ....................... 19

2.6 本章小结 .................................................... 20

第三章声光式外差干涉仪系统的设计 ................................. 21

3.1 声光式外差干涉仪系统的整体介绍 .............................. 21

3.2 外差干涉系统光路的设计 ...................................... 24

3.2.1 外差光源 ................................................ 25

3.2.2 干涉仪 .................................................. 27

3.2.3 光电接收器 .............................................. 27

3.2.4 数字相位计 .............................................. 28

3.3 拍频的接收 .................................................. 29

3.4 相位计的 USB 通信系统 ........................................ 30

3.5 本章小结 .................................................... 32

第四章实验数据及其分析 ........................................... 33

4.1 实验目的及方法 .............................................. 33

4.2 拍频信号的检测 .............................................. 33

4.3 外差干涉仪的稳定性 .......................................... 34

4.4 外差干涉仪的测量能力 ........................................ 37

4.5 死程误差分析 ................................................ 38

4.6 本章小结 .................................................... 39

第五章总结与展望 ................................................. 40

5.1 本文总结 .................................................... 40

5.2 课题的进一步工作 ............................................ 40

参考文献 .......................................................... 42

在读期间公开发表论文和承担科研项目及取得的成果 .................... 45

致谢 .............................................................. 46

第一章绪论

- 1 -

第一章绪论

1.1 课题研究背景

纳米科学技术是当今发展最迅速、研究最广泛的科学技术之一，也被誉为 21

世纪最有发展前途的科学之一，它涉及到光学、材料学、机械学、微电子学、生

物和生命科学等科学研究与工业领域。纳米科学技术旨在研究、发展和加工关键

尺寸接近或小于 100nm 的材料、装置和系统，以获得所需功能和性能的产品。

概括国内外的纳米测量方法，可以分为两大类：一种是非光学方法，包括电

子显微术、电容电感测微法、扫描探针显微术；另一种是光学方法，包括激光干

涉仪、光学光栅等。无论应用哪种方法进行纳米测量，在溯源到米定义的时候，

仍然需要利用激光干涉仪等光学方法进行校正和标定。因此，光学测量方法是纳

米技术中的基础。

由于激光具有良好的空间相干性和时间相干性，所以自激光问世以来，以激

光作为光源的激光干涉仪一直被人们所关注，应用范围也在不断扩展，出现了各

式各样的激光干涉仪，从原理上可归结为单频激光干涉仪和双频激光干涉仪（外

差激光干涉仪）两种基本类型。

单频激光干涉仪是最早出现的激光干涉仪系统，但是由于直流漂移的原因，

多用于实验室的专用设备中，在相当长时间内没有推广到现场使用。双频激光干

涉仪是在单频激光干涉仪的基础上发展起来的外差干涉仪，由于双频激光干涉仪

是交流系统，具有很好的抗干扰能力和系统增益，不存在直流漂移，所以从 1970

年HP 公司推出第一台基于塞曼效应的双频激光干涉仪后，在很长时期，垄断了干

涉仪市场。

1.2 外差激光干涉仪系统概述

1.2.1 外差光源

影响外差干涉测量系统测量速度的主要因素是外差光源的频差。目前外差光

源主要有基于塞曼效应和模牵引效应的塞曼激光器、双纵模激光器、基于声光调

制的外差干涉光源和基于频率分裂的双折射双频激光器。

1.2.1.1 塞曼激光器

He-Ne 激光器在外加磁场的作用下，由于塞曼效应，Ne 原子的上(Ja=1)、下(Jb=2)

声光式外差激光干涉系统的设计与实现

- 2 -

两个能级分别分裂成(2Ja+1)、(2Jb+1)个次能级，从而导致增益曲线和色散曲线的分

裂，输出具有一定频差的偏振光，成为常用的双频干涉激光源。根据外加磁场的

方向，塞曼激光器可以分为磁场方向平行于激光器轴线的纵向塞曼激光器和磁场

方向垂直于激光器轴线的横向塞曼激光器[1]。

（一）纵向塞曼激光器

当He-Ne 激光器置于沿激光器轴线的纵向磁场中，则会产生纵向塞曼效应。

根据选择定则，只允许次能级之差

m

＝

1

的电偶极子发生跃迁，分别输出左旋

和右旋的圆偏振光，因此原来的增益曲线分裂成两条，如图 1-1 所示。

图 1-1 纵向塞曼激光器的增益曲线分裂

从图 1-1 可以看出，塞曼频移为：



＝

(1-1)

式中：

g g g

a b

 

，其中

、

：上下能级的朗德因子；



：波尔磁子；H：磁

场强度。

纵向塞曼激光器增益曲线对称分裂，当激光振荡频率正好处于

时，左旋圆

偏振光和右旋圆偏振光的光强相等，根据激光器输出的两个圆偏振光光强的差别，

就可以判别出激光振荡频率偏离中心频率的方向和大小。这样可设法形成一个控

制信号去调节谐振腔，使它稳定在谱线的中心频率处。由于纵向塞曼效应分裂成

的两谱线交点处的曲线有较陡的斜率，可作为一个很灵敏的稳频参考点，故频率

稳定性和复现性精度都比较高。输出的圆偏振光，需通过 1/4 波片变换成线偏振光。

纵向塞曼激光器的频差一般为 1.3MHz~3.0MHz，最高测量速度可达 700mm/s。如

美国 HP 公司的双频激光干涉仪就是采用纵向塞曼激光器做为外差光源，HP5528

的频差为 1.8MHz，最高测量速度为 300mm/s；HP5527 的频差为 2MHz，允许测量

的速度为 450mm/s；HP5529 的频差为 3MHz，允许测量的速度为 700mm/s。

（二）横向塞曼激光器

当He-Ne 激光器放置于垂直于激光器轴线的横向磁场中时，塞曼效应导致了

第一章绪论

- 3 -

Ne 原子的上（J=1）、下（J=2）能级的分裂。如图 1-2 所示，每个能级将分裂为 2J+1

个子能级，允许的电偶极子跃迁发生在

1m

、0或+1 时，当

0m

时，产生

一个偏振态平行于磁场方向的π分量；当

m 1

时，产生一个偏振态垂直于磁场

方向的



分量。在 g值的微差被忽略时，π跃迁与无磁场时的能量相同，而



跃

迁被移在塞曼频移的能量上。随着磁场强度的增加，π与



之间的耦合下降，从

而导致了一个纵模的双偏振，由于π与



分量在折射上的差别，两分量之间也将产

生一个小的频差，该频差的大小随着模在增益曲线上的调谐而定，也取决于磁场

与自然偏振轴夹角的大小。拍频频差

f

的计算公式如下

)(

 

IIIIFfb

（1-2）

式中，

为一阶因子，



为频率牵引系数，



为频率排斥系数，



为交叉排斥

系数。

图 1-2 氖原子部分能级与谱线在横向磁场中的分裂情况



1:固定磁铁; 2:氦氖激光管; 3:分束器; 4:反射棱镜; 5,6:检偏器;

7,8:光电探测器; 9:渥拉斯顿棱镜; 10:凸透镜; 11,12:平面镜

图 1-3 一种具有纳米精度的外差干涉仪

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