用于精密位移测量的单频激光干涉系统研究

摘要

精密测量技术在工业生产、科学技术和国防建设等众多领域都有着非常重要而又广泛的应用，而近年来随着我国现代化建设的飞速发展，超大型化、微型化、精密化和智能化的制造加工设备已经成为未来发展的趋势。开展精密测量技术的相关研究，对促进我国先进制造、超精密加工、国防军工等高新技术行业的发展，具有重要而深远的意义。
　　激光干涉测量以其优异的性能和广泛的应用场合，成为精密测量领域不可缺少的基本技术。如何从根本上掌握这门技术并灵活运用到实际的科研、生产中，具有非常重要的工程应用价值。市场上现有的激光干涉仪种类较多、功能各异，且都自成体系、独立使用。但在科学研究与实际应用中，常需要集成激光干涉技术于系统中构建位移测量反馈。通用干涉仪存在着价格昂贵、无法满足系统特殊要求、不便集成等问题。因此，自行构建一套激光干涉测量系统，并能根据研究对象的不同而灵活地进行按需构建，无疑是一项非常有意义的研究工作。
　　基于上述考虑，本文在激光干涉测量理论的基础上，自主设计并构建了一套激光干涉测量系统，包括光路结构和转换电路设计，以及后续的采样程序编制和数据处理方法研究，以保证预定的测量精度。实验结果表明，该套激光干涉测量系统的最大测量误差在50nm以内，最大相对误差为1％左右。各章的具体内容包括:
　　第1章介绍激光干涉测量技术的研究背景和意义，评述国内外的研究和应用现状，提出本文的主要研究内容及整体框架结构。
　　第2章首先介绍精密位移测量的干涉原理，包括激光的基本物理性质、光波的叠加原理等，然后讨论并比较了单频激光干涉测量和双频激光干涉测量的特点。基于目前的应用需求与实验条件，选择单频激光干涉测量展开研究。
　　第3章首先分析了实验光路的原理和构成，然后对光路的各部分光学元件的参数进行具体的阐述，特别是对手动位移台和纳米电机这两种控制目标反射镜位移的装置、以及纳米电机的编程方法作了详细介绍。
　　第4章设计了光电转换电路，并通过示波器显示实验效果。针对方波和正弦波，采用不同的方式进行数据采集。
　　第5章主要对正弦波形存在的误差进行处理，并对处理结果进行比较。然后针对波形细分，在介绍通用细分方法的基础上，提出一种简化条件下的实用细分方法，并按此方法进行数据处理，最后针对处理结果进行相应的误差分析。
　　第6章:对论文研究工作进行总结，并对后续的研究工作提出了建议。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究的背景及意义

1．2 国内外的相关研究现状

1．2．1 激光干涉仪的发展状况

1．2．2 激光干涉仪的国外研究与应用情况

1．2．3 激光干涉仪的国内研究与应用情况

1．3 论文的主要研究内容

1．4 本章小结

第2章 精密位移测量的激光干涉原理

2．1 激光的基本物理性质

2．2 光波的叠加

2．2．1 叠加原理

2．2．2 光波的强度合成

2．3 单频激光干涉和双频激光干涉的比较

2．3．1 单频激光干涉

2．3．2 双频激光干涉

2．4 本章小结

第3章 激光干涉的光学系统构建

3．1 光路结构

3．2 光学元件的选型

3．2．1 激光器

3．2．2 扩束镜

3．2．3 分光镜

3．2．4 固定反射镜和目标反射镜

3．2．5 辅助夹持元件

3．2．6 静态干涉实现

3．3 目标反射镜运动的控制

3．3．1 手动位移台

3．3．2 纳米电机

3．3．3 动态干涉实现

3．4 本章小结

第4章 激光干涉条纹的数据采集

4．1 光电转换电路元件的选型

4．2 光电转换电路设计

4．2．1 比较电路

4．2．2 放大电路

4．2．3 方波转换电路

4．3 光电转换实验效果

4．4 干涉条纹波形的数据采集

4．4．1 方波采集

4．4．2 正弦波采集

4．5 本章小结

第5章 激光干涉条纹的数据处理

5．1 波形误差处理

5．1．1 角度法

5．1．2 弦高法

5．2 波形细分

5．2．1 通用细分情况简介

5．2．2 简化条件下的细分

5．3 本章小结

第6章 结论和展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

作者简历