基于白光干涉测量的大量程高精度光程扫描延迟线研究

摘要

白光干涉测量技术是精密器件性能测试、分布式传感等领域的重要手段，光程扫描延迟线作为白光干涉测量的关键器件，其指标（扫描量程、分辨率等）对白光干涉测量的测量范围、空间分辨率等性能具有决定性影响。作为集光、机、电为一体的器件，其稳定性也是影响系统整体稳定性的重要一环。如何设计扫描量程更大、精度更高、插入损耗及波动更小、稳定性更好的光学延迟线，是白光干涉测量领域不断探索的问题。
　　本论文针对大量程高精度光程延迟线的参数选取、调节及稳定方法、扩展方法、白光干涉测量应用开展相关工作，其主要内容有：
　　（1）根据光程扫描延迟线使用的光学器件性能及其参数分析，对其调节和锁紧结构进行设计。通过对准直镜光斑、扫描波动进行计算，对扫描过程中光学器件的偏差进行限定；设计光程延迟线的机械结构，对调节的机械压力和强度进行计算，利用软件模拟该结构下的应力、应变及位移状态，为下一步制作提供理论依据和技术参考。
　　（2）提出一种光程延迟线的调节及其稳定性提升方法。使用四象限探测器，改进准直镜的校准方式，将光束偏角控制在0.1mrad内；提出一种双45度反射镜的调节方法，降低扫描插入损耗及其波动；提出一种提升稳定性的方法，使延迟线的存储温度可达-30℃～60℃。
　　（3）对光程延迟线扫描量程扩展与接续（标定）方法进行研究。在大量程高精度光程扫描延迟线的基础上，利用多种方法扩展扫描量程，最高可将扫描量程扩展至1.6m；在固定和连续延迟扩展的基础上，利用干涉光路对其接续进行精确标定。
　　（4）分别对研制的多种光程延迟线损耗进行测试，并对其温度稳定性测试。将其应用在白光干涉测量系统中，测试其在多种测量光路中的表现。
　　根据以上工作，研制分辨率为0.3fs的延迟线有：量程为200mm的延迟线，其插入损耗及波动分别低于1.5dB、±0.08dB；量程为400mm的延迟线，其插入损耗及波动分别低于1.5dB、±0.1dB；量程为600mm的延迟线，其插入损耗及波动分别低于2dB、±0.15dB。在双通模式下，分辨率为0.6fs、插入损耗低于3dB、损耗波动低于±0.2dB时，可将量程扩展至800mm，且存储温度达到-30℃～60℃，大幅提升白光干涉测量系统的测量量程、空间分辨率和稳定性。

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第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究要解决的问题

1.4 本论文拟达到目标

第2章 光程扫描延迟线的参数选择及结构设计

2.1 大量程高精度光程扫描延迟线结构选择

2.2 光程扫描延迟线组件分析

2.3 机械调节结构设计

2.3 本章小结

第3章 光程延迟线调节方法及稳定性研究

3.1 准直镜调节方法

3.2 双45度反射镜调节方法

3.3 基于机械稳定性提升的损耗波动抑制方法

3.4 本章小结

第4章 扫描量程扩展与接续（标定）方法研究

4.1 增加硬件性能扩展

4.2 基于单个延迟线的双通扫描扩展

4.3 延迟线级联进行光程延迟线扩展

4.4 采用固定延迟和连续延迟复合的方法进行扫描量程扩展

4.5 结合干涉光路，利用差分结构实现扩展

4.6 本章小结

第5章 光程延迟线测试及白光干涉测量应用

5.1 光程延迟线测试

5.2 白光干涉测量系统中的实验结果

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢