基于3×3耦合器的光栅干涉纳米位移测量方法研究

摘要

随着现代化科技水平的不断提高，在超精加工、材料科学、生物制药等领域都迫切需要大量程、纳米级精度的计量设备。本文提出了一种基于3×3耦合器的小型化光栅干涉式位移测量方法，将空间光转化为光纤光，降低了环境因素对测量精度的影响。制作完成了系统样机，系统整体结构简单、调节方便。为小型化、高精度的光栅干涉位移测量系统提供了技术参考。本文主要的研究内容及创新点包含以下几个方面：
　　1．首次将光纤耦合器与计量光栅两者结合，构造干涉测量系统，不仅利用了计量光栅测量基准可靠、零漂小的特点，同时结合了光纤耦合器结构简单、性能稳定、调试方便的特点，实现了一种新型的干涉位移测量系统。
　　2．位移测量系统的理论分析。解释了光路系统工作的基本原理；根据购买3×3耦合器出厂测试的分光比及损耗，通过散射矩阵，计算出了理论上耦合器三路信号之间的相位差。
　　3．以严格耦合波理论为基础，介绍了偏振入射光为TE、TM时的理论推导过程。在对光栅进行设计时，分别以表面镀铝和镀金为条件通过Matlab进行仿真分析，选择一级衍射光衍射效率最大时的归一化深度，作为光栅的刻划深度。最后对光栅制作加工条件提出具体要求。
　　4．对位移细分算法进行了深入的研究，讨论了如何鉴别位移方向，如何实现高倍的电子学细分。在电子学细分中，将实际情况在存在的温度、湿度及空气扰动等影响因素考虑在内，提出了基于反正切变换的三路信号高精度细分算法。仿真结果表明，细分算法能够对位移量进行实时跟踪、精确测量。
　　5．对设计的3×3耦合器测量系统与标定系统进行了对比实验测试。借助标定设备双频激光干涉仪HP5530，对光栅位移测量系统分别进行了稳定性、小量程、大量程和重复性的测试，对系统进行全面的性能评估分析。
　　6．对引起测量误差的因素，如光栅、光路结构、电路、光纤耦合器等引入的误差进行分析说明，并指出了误差产生的原因及可行的消除办法。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及研究意义

1.2 光栅干涉纳米位移测量技术的种类及特点

1.3 光栅干涉位移测量的研究现状及发展趋势

1.4 本文的主要研究工作与内容安排

第二章 基于3×3耦合器的纳米位移测量方法研究

2.1 引言

2.2 光学系统工作原理

2.3 光纤耦合器性能分析

2.4 严格耦合波在光栅设计中的应用

2.5 本章小结

第三章 系统位移计算方法的研究

3.1 引言

3.2 辨向方法的研究

3.3基于反正切变换的三路信号高精度细分方法研究

3.4基于反正切变换的三路信号高精度细分算法的仿真分析

3.5 本章小结

第四章 系统硬件结构设计与软件实现

4.1 引言

4.2 光电信号检测部分设计

4.3 信号处理电路设计

4.4 软件系统设计

4.5 本章小结

第五章 基于3×3耦合器的测量系统性能测试实验

5.1 引言

5.2 系统性能测试方法

5.3 性能测试辅助设备介绍

5.4 位移测量实验系统介绍

5.5 系统测试与结果分析

5.6 系统误差来源分析

5.7 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文工作总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果