基于单频正交线偏振光的激光波长测量方法研究

摘要

长度基准是保证量值准确和实现互换性的基础，现行长度基准采用光的波长作为长度单位。激光波长作为几何测量的基准，被广泛应用于长度、角度、平面度、直线度和垂直度等几何量的测量，是精密计量、精密机械和微电子工业领域重要的测量参数。因此精确地测量波长大小是保证几何量测量准确性和量值溯源的关键。
　　本文提出了一种基于单频正交线偏振光的激光波长直接测量方法，在光路中构建了两套迈克尔逊干涉仪，通过压电陶瓷驱动器调制两套干涉仪的参考镜，将对未知波长的测量转化为干涉条纹信号整周期计数和干涉信号相位差的测量。主要研究工作如下:设计了基于单频正交线偏振光的激光波长测量系统的光路结构，并结合光路结构对测量原理进行了详细分析;设计了信号预处理电路，用于调整输出电压范围及改善电路输出特性;利用级联积分梳状(Cascaded Integral Comb，CIC)数字滤波算法对信号进行滤波处理，从而改善了信号质量;对造成相位差测量误差的原因进行了分析并进行补偿，从而实现了相位差的高精度测量;给出了整周期计数方法及与小数计数整合的方法;利用整周期计数模块对参考镜运动方向进行判断从而实现了在参考镜特定的运动方向上对相位差进行测量;利用Visual Basic语言进行了上位机软件的设计。
　　为验证本文研制的基于单频正交线偏振光的激光波长测量系统的有效性，分别进行了以下实验:(1)相位差检测及补偿实验，以10°为步长进行相位差检测补偿实验，补偿前相位差测量误差平均值为2.38°，补偿后相位差测量误差平均值为0.22°。(2)整周期计数值及与小数计数值整合实验，以5 mm为步长进行了整小数结合实验，整小数值与理论值差值的绝对值均小于0.5。(3)系统稳定性实验，进行了相位差连续测量实验，在三十分钟内相位差变化较小，证明系统稳定性良好。(4)测量镜运动不同距离对波长测量精度影响实验，分别进行了测量镜运动100 mm、150 mm、200 mm、250 mm的波长测量实验。波长测量不确定度分别为1.38×10-6、9.86×10-7、7.80×10-7、5.36×10-7。(5)激光器波长测量应用实验。测量了ZYGO激光器的波长，波长测量不确定度为5.17×10-7。

目录

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摘要

第一章 综述

1．1 论文的研究背景与意义

1．2 激光波长测量方法研究现状

1．2．1 激光波长间接测量方法

1．2．2 激光波长直接测量方法

1．3 论文的研究内容与组织结构

第二章 基于单频正交线偏振光的激光波长测量系统设计

2．1 基于单频正交线偏振光的激光波长测量原理

2．2 系统总体方案设计与关键技术

2．2．1 主要光学元件选择

2．2．2 关键技术

2．3 本章小结

第三章 激光波长测量系统信号处理方法

3．1 信号处理总体方案设计

3．2 干涉信号整体信号处理方法

3．2．1 干涉信号预处理电路

3．2．2 干涉信号的数字滤波处理

3．2．3 干涉信号的整周期计数

3．2．4 干涉信号小数计数

3．2．5 参考镜移动方向判断

3．2．6 整周期计数值与小数计数值整合

3．3 系统软件设计

3．3．1 波长测量软件设计

3．3．2 上位机软件设计

3．4 本章小结

第四章 实验与误差分析

4．1 测量系统实验装置构建

4．2 干涉信号检测实验

4．2．1 相位差检测及补偿实验

4．2．2 整周期计数及与小数计数进行整合实验

4．3 系统稳定性实验

4．4 激光波长测量实验

4．4．1 测量镜运动不同距离对波长测量精度影响实验

4．4．2 激光器波长测量应用实验

4．5 误差分析

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 论文总结

5．1．1 主要创新点

5．1．2 完成的具体工作

5．2 论文展望

参考文献

致谢

硕士期间的研究成果