基于虚合成波长的激光频率(波长)测量方法研究

摘要

随着现代科学技术的发展，激光频率及波长的测量在计量学、信息科学、通信、天文等领域占有越来越重要的地位，一直是国内外关注的热点，开发新的激光频率及波长测量系统有着非常重要的意义。本论文首次提出虚合成波长的概念并介绍了基于虚合成波长的激光频率（波长）测量方法，该方法解决了以往大频差测量中系统结构复杂实现困难、成本高以及波长测量中测量精度低等问题，为激光频率及波长的测量提供了一种新的理论和方法。
　　 论文首先阐述了激光频率及波长测量的研究现状，详细介绍了每种测量方法的原理和测量步骤，并指出了其测量精度和优缺点，接着提出了虚合成波长的概念并比较全面地介绍了其基本理论，阐述了其在激光频率及波长测量中的应用并设计了相应的光路结构和信号处理系统，实现了对双纵模激光器频差大小和稳定性以及单频激光频率和波长的测量。论文最后对该测量系统的非线性误差和系统中因导轨位移误差引入的测量误差进行了理论分析并进行了实验验证。
　　 本论文构建了以Agilent5519A激光头(稳定度为0.002ppm)为参考光源、以adlink板卡PCI-9820为A/D采样卡、以自编的基于VB6.0的程序为系统程序的测量系统，并分别进行了以下实验：(1) adlink数据采集卡PCI-9820在不同采样频率下的对不同频率模拟信号的最大分辨率实验；(2)对Renishaw MLlO双纵模激光器频差大小和稳定性的测量实验；(3)对NIM（中国计量科学研究院）双纵模激光器频差大小和稳定性的测量实验；(4)对bj-force（北京方式科技公司）双纵模激光器频差大小和稳定性的测量实验；(5)以Agilent5519A激光头输出的一个频率为参考，对Renishaw MLIO双纵模激光器每个单频的大小和稳定性的测量实验；(6)以Agilent5519A激光头输出的一个频率为参考，对NIM双纵模激光器每个单频的大小和稳定性的测量实验；(7)以Agilent5519A激光头输出的一个频率为参考，对bj-force双纵模激光器每个单频的大小和稳定性的测量实验。上述实验结果中频率标准偏差均为IOMHz左右，标准偏差与被测光中心频率的比值为10。8左右，与厂家给出的数据相符，表明了基于虚合成波长的激光频率及波长测量系统在激光频率及波长测量过程中的可行性和优越性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 综述

1.1 光学频率及波长测量的研究背景及意义

1.2 光学频率的测量方法

1.2.1 基于谐波光频链的激光频率的绝对测量方法

1.2.2 基于光频间隔内分(OFID)频率链的光频绝对测量方法

1.2.3 基于光学频率梳的光频直接绝对测量方法

1.2.4 光频测量技术的发展

1.3 频率稳定度的表征与测量

1.3.1 频率稳定度的表征

1.3.2 频率稳定度的测量

1.4 激光波长测量方法的研究进展

1.5 本论文的主要目的及意义

1.6 本论文的研究思路及组织结构

第二章 虚合成波长及其应用

2.1 本章概述

2.2 迈克尔逊干涉仪

2.2.1 迈克尔逊干涉仪的发展历史

2.2.2 典型迈克尔逊干涉仪组成及其特点

2.2.3 干涉条纹可见度(反衬度)的分析

2.3 虚合成波长原理

2.3.1 虚合成波长原理的基本理论

2.3.2 利用虚合成波长进行激光波长(频率)的测量

2.3.3 虚合成波长的其它应用

2.4 本章小结

第三章 测量系统的光路结构和机械结构设计

3.1 本章概述

3.2 测量系统的参考激光器和主要光学元件的选择

3.2.1 影响激光器频率稳定性的因素及参考激光器的选择

3.2.2 分光器的选择

3.2.3 反射器的选择

3.3 测量系统的机械结构设计

3.3.1 系统部件材料的选取

3.3.2 系统结构的设计

3.4 测量系统的整体结构

3.5 本章小结

第四章 信号处理系统设计

4.1 本章概述

4.2 测量系统干涉信号的光电转换及电信号的预处理

4.2.1 探测器的选择

4.2.2 系统干涉信号的预处理电路

4.3 A/D采样及干涉信号相位鉴别

4.3.1 A/D采样卡的选择

4.3.2 干涉信号的相位鉴别

4.3.3 基于VB6.0的软件系统设计

4.4 本章小结

第五章 误差分析

5.1 本章概述

5.2 导轨位移误差所引入的测量误差

5.3 测量系统的非线性误差

5.3.1 激光源偏振态的影响

5.3.2 偏振分光镜引入的误差

5.3.3 角锥棱镜引入的非线性误差

5.4 本章小结

第六章 系统实验及分析

6.1 本章概述

6.2 adlink采集卡PCI-9820的最大分辨率实验

6.3 对Renishaw ML10双纵模激光器频差大小和稳定性的测量实验

6.4 对NIM双纵模激光器频差大小和稳定性的测量实验

6.5 对bj-force双纵模激光器频差大小和稳定性的测量实验

6.6 以Agilent5519A为参考，对Renishaw ML10的测量实验

6.7 以Agilent5519A为参考，对NIM双纵模激光器的测量实验

6.8 以Agilent5519A为参考，对bj-force双纵模激光器的测量实验

6.9 实验结果分析

第七章 总结与展望

7.1 论文的创造性工作

7.2 论文完成的具体工作

7.3 论文展望

参考文献

致 谢

攻读学位期间的研究成果