偏频锁定式热稳频激光器水冷散热技术研究

摘要

随着科学技术的发展，超精密加工技术的也在快速发展，并且促进了超精密测量技术向更高要求的方向延伸。在实现超精密测量技术的多种方法中，激光干涉测量技术是目前超精密位移测量与精确定位的重要技术手段。作为双频激光干涉仪的核心部件，稳频激光器为整个激光干涉测量系统提供了波长基准，其波长稳定度将直接影响激光干涉测量系统的精度。传统的自发散热型热稳频激光器在影响激光器稳频精度的同时还会形成对测量环境的热污染，进而严重影响激光干涉仪系统的测量和定位精度，目前已成为下一代激光管干涉仪中亟待解决的问题。
　　本文分析了传统自发散热型偏频锁定稳频激光器的散热特性及其对整体干涉测量系统测量精度的影响，并采用基于水冷散热主动散热稳频技术，设计了几种水冷散热结构并通过仿真来比较分析其水冷散热特性，进而优化水冷散热结构并对其应用在偏频锁定热稳频激光器中的效果进行实验验证。本文主要研究内容如下：
　　在比较传统自发散热型偏频锁定激光器散热情况的基础上，结合水冷散热技术，对基于水冷技术的偏频锁定式热稳频激光器进行了可行性研究，并提出水冷散热系统总体技术方案。水冷散热系统主要包括恒温水槽，流量控制电路，水泵，温度传感器和水冷散热结构。恒温水槽有独立的温度控制系统，提供恒定水温的冷却水。水泵和流量控制电路配合，可以调节和精确保持冷却水的流量。温度传感器则准确测量进出水冷散热结构的水温，用于监控散热系统。最终确保水冷散热系统可以给激光管提供一个稳定的热环境。
　　水冷散热结构是水冷散热系统中的核心部件，该结构的散热性能和温度场均匀性将直接决定激光管周围热环境的稳定性，进而直接影响激光管输出光频率稳定度。为此本文设计了多种水冷结构的模型，通过仿真分析，选择散热效果和温度场均匀性最好的结构用来进行实验。进一步分析不同流速对散热效果和温度场均匀性的影响，并选择最优流速。
　　研究了基于水冷散热的偏频锁定热稳频控制系统。在分析原有传统偏频锁定热稳频激光器控制方法基础上，综合考虑水冷散热系统引入的影响，将在水冷环境下工作的激光管作为被控对象，缠绕在激光管表面的加热膜作为执行器，针对以上系统提出新的稳频控制方案，以提高水冷偏频锁定激光器输出光频率稳定度。
　　设计了水冷偏频锁定热稳频激光器光机电一体化结构。通过对水冷偏频锁定激光器各组成部分合理布局，设计了相对应的机械结构。实现了He-Ne激光管，水冷散热结构，拍频信号检测电路，偏频锁定控制电路的高度集成。使整体激光器结构紧凑，便于调整，进而确保水冷偏频锁定稳频激光器输出光频率稳定度。
　　最终本课题设计的基于水冷散热的偏频锁定热稳频激光器输出光的频率稳定度优于±4.2×10-10/12h。

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第1章 绪论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2激光器稳频技术的研究现状

1.3激光器散热技术的研究现状

1.4课题主要研究内容

第2章 激光器散热特性分析

2.1激光器热传递原理分析

2.2激光管散热特性对频率稳定度的影响

2.3激光器散热特性对工作环境热污染的分析

2.4本章小结

第3章 水冷散热系统设计与仿真

3.1水冷散热系统总体设计

3.2散热结构设计

3.3散热结构仿真

3.4流速优化

3.5本章小结

第4章 偏频锁定控制系统设计

4.1控制系统分析

4.2水冷散热型偏频锁定稳频控制系统设计

4.3参数整定

4.4本章小结

第5章 水冷偏频锁定激光器设计与实验分析

5.1水冷偏频锁定激光器总体结构设计

5.2水冷偏频锁定激光器实验分析

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及其它成果

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