一种基于相位控制的大行程纳米精度定位系统的实现和应用

摘要

相干辐射的相位控制已经成为物理、化学、生物等不同学科分支的重要技术。一种简单而被广泛采用的相位控制方案就是利用具有确定相位差激光脉冲对，脉冲对通常由麦克尔逊干涉仪得到。在利用脉冲对技术进行相位控制的过程中，由于通常的实验室条件下会存在温度漂移、系统元器件振动、甚至系统周围空气的扰动等各种影响，从而造成相位差不稳定，所以有必要控制激光脉冲对的稳定。采用Pancharatnam相位稳定的扫描干涉仪能够实现对麦克尔逊干涉仪两臂相位差非常精确地控制，并且相位差的时间延时和连续扫描功能由同一个压电促动器提供。但是，由于压电促动器的伸长长度通常为100微米数量级，能够实现的时间延时不足一个皮秒。而很多的应用情况需要时间延时达到数百个皮秒，现有的基于压电的系统就不能达到这个要求。所以，具有大扫描行程的相位锁定脉冲对技术是非常需要的，这正是本论文所要解决的问题。下面是其主要内容。 1、设计了一种新颖的能够实现相位控制的大行程纳米精度定位系统，该系统能够实现扫描过程中的动态锁定功能，扫描精度可以达到纳米级，系统由步进电机、压电促动器和动态控制环组成。大行程扫描是通过同时旋转检偏镜和步进马达带动麦克尔逊干涉仪一臂上的反射镜来实现的，但是，由于保持这两个动作的同步是相当困难的，并且步进电机没法达到相应的精度要求，所以为了确保脉冲对之间相位差的锁定，只有通过由光学反馈系统控制的压电微位移器来配合完成，其中反馈系统是通过监视干涉光强的强度变化来实现的。由于由电机带动的镜子的移动距离是任意大的，所有干涉仪的时间延迟线实际上就没有限制。文章在总结了传统的纳米精度测量方法之后，详细说明基于Pancharatnam相位的纳米精度闭环反馈系统的原理。通过比较两种压电促动器和步进电机的机械连接结构控制效果，做出了软连接的选择。随之对系统的特性和误差作出分析。文章对各个电子功能模块也作了详细的介绍，其中包括光电探测模块、自动增益同本底调整模块，锁相放大模块，基于微控制器的PID算法模块，高压高电流压电驱动模块，无线控制的步进马达驱动模块。 2、作为大行程纳米精度定位系统的相位锁定功能应用，首先对飞秒激光的一阶自相关进行了测量，测量的结果表明，使用大行程纳米精度定位系统后，实验结果的信噪比明显提高。由超快激光的自由感应衰减实验，使用这种新装置可以通过对测量结果的傅里叶变换直接获取样品的光谱特性，对比以前的双通道技术对自由感应衰减信号进行测量的结果，只能通过参考通道的测量结果对比而获取样品的相位信息，并且由于测量结果的信噪比太低，而无法通过傅里叶变换获得光谱图。文中给出的两种不同技术测量的实验数据图也体现了测量结果的信噪比差别。 文章最后通过构建基于大行程纳米精度定位系统的傅里叶光谱仪对白光LED的特性进行研究，讨论了使用白光LED的作为傅里叶光谱仪的可行性，得出了使用这种新技术构建的傅里叶光谱仪相对于传统的吸收光谱仪可以获得更高分辨率，更高信噪比的结论。

目录

文摘

英文文摘

第一章前言

第二章基于激光光场相位控制的大行程纳米精度定位系统的实现原理

第三章定位系统实现的相关电子技术

第四章大行程纳米精度相位控制的在飞秒光谱学中的应用

第五章基于白光LED的大行程激光相位锁定傅里叶光谱仪

第六章总结、发展与展望

附录

原创性声明

致谢