MEMS扫描大口径红外激光外差干涉仪关键技术与实验研究

摘要

红外光学材料是现代光电子武器装备中光学窗口和整流罩(口径多为几百毫米)的首选材料,同时它还在小型激光器、工业用大功率激光器窗口、红外相机或热像仪、大型红外光学系统、半导体硅片等领域中得到了广泛应用。为了提高红外光学材料的光学特性,往往需要蒸镀增透、增反和保护等各种膜系。在镀膜过程中,由于加热和等离子体溅射,有时会使冷加工后的红外光学材料的光学均匀性发生微观变化,但这也足以影响红外光学系统原始设计的整体性能指标。目前广泛使用的激光外差干涉仪基本上是反射式的,且大多处于可见光波段,无法利用透射方式直接精密测量红外光学材料内部微观变化参数如光学厚度、内应力等,这一直是影响红外薄膜光学发展的科学难题之一。
　　为此,论文围绕大口径红外激光外差干涉仪所涉及的科学问题和关键技术,理论上讨论了红外激光外差干涉仪相位非线性和双平衡式激光外差探测等问题,技术上解决了大口径 MEMS/F-Theta透镜扫描光学系统设计与实现、高速信号实时采集与处理、高精度波前相位差提取算法等关键技术,最后系统集成一套大口径MEMS扫描红外激光外差干涉仪实验系统,并进行了实验验证。论文的主要研究内容包括以下几个方面:
　　第一,理论研究了激光外差干涉仪相位非线性效应的产生机理。通过引入一阶相位非线性因子和二阶相位非线性因子,分析了由椭圆率因子、光束错位角、偏振分束棱镜错位角以及偏振分束棱镜中的消光比所产生的相位非线性效应。推导了包括光纤在内的整个外差系统的光学琼斯矩阵,并依次分析了由光纤弯曲、λ/2波片方位角错位、偏振分束棱镜方位角偏移、分束棱镜的内部缺陷等因素产生的相位非线性效应。最后通过实验测量了外力弯曲和温度起伏所产生相位非线性变化规律。
　　第二,实验研究了MEMS振镜的二维扫描规律和特性。根据 MEMS振镜的扫描参数、系统激光器的参数、以及待测物的外型尺寸等参数设计了φ300mm三片式 F-Theta透镜组。实验结果表明,当激光外差干涉仪处于二维扫描模式时,采用F-Theta透镜组和MEMS振镜组合实现了对待测物的扫描测量,达到了预期的设计效果。最后还研究并分析了当混合扫描机构处于一维和二维模式下,该混合扫描机构对扫描光束光强的调制关系。
　　第三,建立了双平衡式激光外差探测系统的完整信噪比数学模型。首先分析了双平衡式探测系统的原理模型。接着推导并研究了该探测系统的信噪比数学模型并仿真了整个信号探测的过程。再次讨论了在平衡式外差探测系统过程中散粒噪声、强度过剩噪声以及热噪声对系统信噪比的影响。最后利用实验验证了平衡式外差探测系统的可行性和优势,从信号探测和接收上为干涉系统获取高信噪比的中频信号奠定了理论基础。
　　第四,分析比较了IQ正交解调法、FFT变换法、最小二乘法三种算法的优缺点。在考虑中频信号频率、待测信号信噪比、采样深度、滤波器截止频率、滤波器阶数等多方面因素条件下,通过仿真进行优化,兼顾相位差提取精度和易实现等要求,将最小二乘法应用于MEMS扫描红外激光外差干涉仪系统中。
　　第五,进行大口径MEMS扫描红外激光外差干涉仪系统集成与实验。利用该系统对P-V值为λ/10的待测物进行了测量。测量按照单点式、一维式和二维式扫描先后进行。利用最小二乘法在三种模式下对采集到的信号进行相位差及厚度提取处理,最终拟合出待测物的厚度分布及轮廓面型。结果表明该激光外差干涉仪具有横向采样精度为3mm,纵向厚度精度为1.6nm,可测量厚度起伏为λ/100的红外光学材料。

目录

MEMS 扫描大口径红外激光外差干涉仪关键技术与实验研究

RESEARCH ON KEY TECHNIQUES OF MEMSSCANNING LARGE APERTURE INFRAREDLASER HETERODYNE INTERFEROMETERSYSTEM

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.2 激光外差干涉仪概述

1.3 国内外研究现状

1.4 关键技术与研究现状

1.5 论文主要内容

第2章 激光外差干涉仪相位非线性研究

2.1 引言

2.2 MEMS 激光外差干涉仪总体概述

2.3 相位非线性原理

2.4相位非线性分析

2.5 光纤外差干涉仪中的相位非线性效应

2.6 实验结果与分析

2.7本章小结

第3章 MEMS/F-Theta光学扫描系统设计与实现

3.1 引言

3.2 扫描系统概述

3.3 MEMS振镜特性参数的实验研究

3.4 F-Theta透镜设计

3.5 MEMS/F-Theta透镜扫描实验研究

3.6 本章小结

第4章 激光外差干涉仪平衡外差探测方法与实验

4.1 引言

4.2 双平衡式正交解调系统

4.3 双平衡式外差探测系统信噪比研究

4.4 平衡式外差探测系统信噪比实验研究

4.5 本章小结

第5章 激光外差干涉仪相位提取算法研究

5.1 引言

5.2 IQ正交解调法

5.3 FFT变换法

5.4 最小二乘法

5.5 算法比较

5.6 本章小结

第6章 MEMS扫描激光外差干涉仪集成与实验

6.1 引言

6.2 1550nm激光扫描外差干涉仪系统

6.3干涉仪系统测量显示界面

6.4 测量结果

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致谢

个人简历