激光环境散射率测量技术研究

摘要

在一些高精密光学检测中，例如高反射镜、超光滑光学表面的散射率的检测，一般大气环境中存在大量散射粒子，粒子的散射光会对测量结果产生一定干扰，如果检测信号非常微弱时，这样的影响将不能忽略。现阶段对环境的评估方法主要是对环境中粒子浓度进行测量，但是这些方法要么测量过程复杂，难以推广，要么对测量粒子要求苛刻，实用性不高。针对以上问题，本文设计了一种大气环境散射率测量装置，主要通过测量环境的散射率，以达到评估环境的目的。
　　本散射率测量系统是以稳功率激光器为光源。当光束穿过存有粒子的积分球空腔时散射光被收集在积分球内，并利用光电倍增管测量收集到的散射光。系统采用锁相放大器进行信号处理，有效的去除背景噪声。测量系统主要由光源、光路、探测、数据处理等部分组成。光源部分以半导体激光器作为核心器件，设计了半导体激光器的驱动电路以及调制电路，实现了激光器功率的稳定输出和电调制;光路部分主要完成了光束的转折、衰减和杂散光消除等;探测部分完成了散射光收集，使用光电倍增管完成光电信号转换和信号放大;数据处理部分利用锁相放大器实现了相关检测技术，有效的提高了信噪比。使用单片机作为控制芯片，设计了A/D转换及显示电路等相关辅助电路。
　　通过上述方案，搭建了散射率测量系统，对实验室环境进行了散射率测量，并对实验数据进行了认真分析。实验表明该测量系统达到了测量1～100ppm的设计要求。实现了激光环境散射率的准确测量，且精度高、测试方便迅速、适用范围广。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 测量技术国外研究现状

1．2．2 测量技术国内研究现状

1．3 论文主要研究内容及意义

1．3．1 论文主要研究目的

1．3．2 主要研究内容

1．3．3 研究重点

1．3．4 设计指标

1．3．5 章节安排

2 系统设计理论研究

2．1 散射光信号收集方法研究

2．1．1 粒子散射理论

2．1．2 积分球技术

2．1．3 积分球基本原理

2．2 微弱光信号检测理论

2．2．1 相关检测技术

2．2．3 相关函数

2．2．4 锁相放大器构成及其原理

2．2．5 锁相放大器结构

2．3 光源稳定性理论

2．3．1 半导体激光器功率特性

2．4 光源调制理论

2．4．1 光信号调制基本理论

2．4．2 光信号调制方法

2．5 本章小结

3 系统总体方案设计

3．1 总体方案设计

3．1．1 测量原理

3．1．2 系统测量装置的原理图

3．2 测量系统光路设计

3．2．1 积分球设计

3．2．2 激光器

3．2．3 实际光路搭建

3．3 信号采集及处理

3．3．1 光电倍增管

3．3．2 锁相放大器

3．4 本章小结

4 系统电路及软件设计

4．1 控制芯片

4．1．1 单片机

4．2 电路设计

4．2．1 半导体激光器电路设计

4．2．2 调制电路设计

4．2．3 A／D转换电路

4．2．4 供电电路

4．2．5 显示器件电路设计

4．3 PCB板设计及调试

4．4 系统软件设计

4．4．1 系统主程序设计

4．4．1 主要子程序

4．4 本章小结

5 测量及误差分析

5．1 半导体激光器功率稳定性测量

5．2 散射率测量平台搭建

5．2．1 散射率测量过程

5．2．2 测量结果分析

5．3 误差分析

5．3．1 光电倍增管噪声误差

5．3．2 光学器件引起的误差

5．3．3 其他因素对测量系统的影响

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 课题展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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