【摘要】：激光自混合干涉自上世紀(jì)六十年代被發(fā)現(xiàn)以來,在精密測量領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛的研究。由于系統(tǒng)固有的結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、易于準(zhǔn)直及非接觸性等顯著優(yōu)點(diǎn),因此具有廣闊的應(yīng)用前景。近幾十年,很多高端制造業(yè)和重大尖端設(shè)備的研發(fā)對激光自混合干涉技術(shù)提出了更高的要求。而現(xiàn)代光子學(xué)測試技術(shù)的發(fā)展為激光自混合干涉的探測提供了新的方法。提出了 一種激光自混合干涉的雙折射光載微波探測方法,研制了基于自混合雙頻激光多普勒效應(yīng)的高分辨率測速儀,從雙折射光載微波的自混合多普勒頻移中準(zhǔn)確提取了物體的速度信息。激光自混合干涉具有緊湊的光學(xué)結(jié)構(gòu),自對準(zhǔn)和方向可辨識性的優(yōu)點(diǎn),而利用雙折射雙頻氦氖激光器產(chǎn)生的穩(wěn)定的光載微波,又能進(jìn)一步簡化了光源的結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)上,我們用低頻(毫赫茲)鎖相放大器提取了多普勒拍頻信號,在時(shí)域精確測量了拍頻,并計(jì)算速率。由于光載微波的高穩(wěn)定性,與之前的雙頻自混合激光多普勒測速儀相比,自混合雙折射雙頻激光測速儀的平均速度分辨率提高至0.030mm/s。提出了一種利用硅光電二極管的雙光子吸收效應(yīng)對邊緣濾波增強(qiáng)型激光自混合多普勒信號的進(jìn)行二次探測方法。讓激光會聚入射硅光電二極管,發(fā)生雙光子吸收效應(yīng),引入對入射光的二次光電導(dǎo)響應(yīng)。由雙光子吸收引起的二次響應(yīng)則能抑制光纖光柵增強(qiáng)型激光自混合干涉所增強(qiáng)的諧波,將諧波的振幅降低到噪聲水平。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,利用商用的硅光電二極管的雙光子吸收效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)一種超寬頻帶濾波器。對于一個(gè)未知的待探測的多普勒頻率,無需被動地調(diào)節(jié)濾波截至頻率,即可實(shí)現(xiàn)濾波。這大大簡化了對探測的自混合多普勒信號的處理。而利用光放大器的處理,使多普勒頻率的探測信噪比也得到了提高,探測到的4kHz的多普勒信號的信噪比能達(dá)到15dB。針對精密位移測量,提出了一種對激光自混合干涉的合成波長測量方法,并構(gòu)建了簡單的合成波長自混合干涉儀。由合成波信號毫米尺度的位移測量得到目標(biāo)物體的亞納米級的位移。合理選擇了正交偏振雙頻氦氖激光器的頻率差避免模式競爭,調(diào)整了自混合干涉儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),將合成波長技術(shù)引入到激光自混合干涉測量中。觀察了兩個(gè)正交偏振模式的自混合干涉條紋信號之間的相位差,通過合成信號的相位變化來測量了目標(biāo)物體的微小位移。由于合成波長遠(yuǎn)大與激光波長,可以在無調(diào)制、解調(diào)的情況下,實(shí)現(xiàn)納米位移測量。研究對比了Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體砷化鎵與硅光電二極管的雙光子探測性能,并基于他們的雙光子吸收效應(yīng),測量了光纖飛秒激光脈沖的自相關(guān)函數(shù)。由于激光脈沖在介質(zhì)中傳播時(shí)的三階色散,自相關(guān)信號的時(shí)域包絡(luò)包含兩個(gè)對稱的時(shí)域旁瓣。利用色散脈沖的時(shí)頻分布和砷化鎵與硅的雙光子響應(yīng)譜分析了自相關(guān)信號中的旁瓣的出現(xiàn)位置。與硅相比,砷化鎵在脈沖形貌重構(gòu)中表現(xiàn)出更高的靈敏度,這得益于它的旁瓣信號的信噪比更高,而且旁瓣信號更靠近主峰。在此基礎(chǔ)上,使用砷化鎵PIN光電二極管測量了的飛秒激光的脈沖寬度,對于脈沖半高寬測量的分辨率與傳統(tǒng)的倍頻晶體自相關(guān)儀的測量分辨率相一致,測量分辨率能達(dá)到0.89fs。
【學(xué)位授予單位】：南京師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN24
【圖文】：

Ｋｕｎ邋Ｌｉ和Ｍｉｃｈｅｌｅ邋Ｎｏｒｇｉａ課題組在２０１６年基于半導(dǎo)體激光器兩個(gè)端面所接逡逑收的自混合干涉信號的反向現(xiàn)象，提出了一種半導(dǎo)體激光自混合干涉的平衡探測逡逑技術(shù)［６２］。實(shí)驗(yàn)裝置如圖１．１（ａ）所示。激光源是一個(gè)內(nèi)置監(jiān)視光電二極管的ＤＦＢ逡逑半導(dǎo)體激光器，它由３０ｍＡ直流電流驅(qū)動。激光器從前端發(fā)射出的激光經(jīng)過一個(gè)逡逑準(zhǔn)直透鏡的準(zhǔn)直，由白紙覆蓋的揚(yáng)聲器反射后，又重新回到激光腔內(nèi)，產(chǎn)生自混逡逑合干涉效應(yīng)。為了獲得前端的自混合干涉信號，一個(gè)反射率為１０％的分束器被逡逑安置在了外腔光路中，準(zhǔn)直透鏡將分束器分出的光束會聚在了前腔探測的光電二逡逑極管上。激光器后端的自混合干涉信號可以由內(nèi)置的監(jiān)視光電二極管直接探測。逡逑實(shí)驗(yàn)所得到的信號如圖１．１（ｂ）所示，激光器的前后端所接收到的自混合信號是嚴(yán)逡逑格反向的，因此將兩個(gè)信號做減法的時(shí)候，得到的信號幅度就增強(qiáng)為前后端兩個(gè)逡逑信號的和。因?yàn)榧す馄髑昂蠖说淖曰旌闲盘柖紒碜砸粋�(gè)同一個(gè)激光腔，所以這種逡逑平衡探測能夠有效消除與激光泵浦電流和ＴＩＡ耦合的電磁干擾。除此之外

和原子或者分子吸收曲線的特點(diǎn)，這種方法廣泛用于光譜測量［６４＿６５］，也稱之為雷逡逑達(dá)邊緣技術(shù)［６６］。Ｖｉｃｔｏｒ邋Ｃｏｎｔｒｅｒａｓ等在２０１５年將邊緣濾波探測技術(shù)運(yùn)用在了對激逡逑光自混合干涉的頻率波動的探測當(dāng)中［６７］。實(shí)驗(yàn)裝置如圖１．２（ａ）所示。逡逑。陽挪邋＇邐Ｕｓｅｒｄｉｏｄｅ邋＾逡逑ＤＥＴＴａｒｇｅｔ邐Ｔａｒｇｅｔ逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑圖１．２．邊緣濾波增強(qiáng)型自混合千涉儀實(shí)驗(yàn)裝置圖。（ａ）乙炔氣室增強(qiáng)探測。（ｂ）體布拉格光柵逡逑增強(qiáng)探測。逡逑在激光自混合千涉的邊緣濾波探測中，自混合頻率波動被看成一種對光頻的逡逑頻率調(diào)制。當(dāng)攜帶頻率調(diào)制信號的激光束穿過乙炔氣體吸收池向前傳播時(shí)，由于逡逑光學(xué)吸收的頻率分布曲線具有陡峭邊緣，頻率調(diào)制信號就會被轉(zhuǎn)換成氣體吸收的逡逑強(qiáng)度信號。當(dāng)單模半導(dǎo)體激光器的波長被調(diào)諧到乙炔光吸收曲線（吸收中心位于逡逑１５３１．５８ｎｍ的Ｐ－１１線）的邊沿時(shí)，激光自混合干涉信號被增強(qiáng)了約兩個(gè)數(shù)量級。逡逑這種探測手段的缺點(diǎn)是激光器的線寬最好遠(yuǎn)窄于氣體吸收譜線的線寬，否則就不逡逑具備邊緣增強(qiáng)效果，而且氣體分子的吸收線都是特定的，只能選取對應(yīng)的激光器，逡逑這無疑也對邊緣濾波技術(shù)在激光自混合干涉測量中的推廣帶來了很多障礙。逡逑在此基礎(chǔ)之上，Ｖｉｃｔｏｒ邋Ｃｏｎｔｒｅｒａｓ等又將體布拉格光柵這種衍射兀件的選模功逡逑能應(yīng)用在了對自混合頻率波動的探測中［６８］。實(shí)驗(yàn)裝置如圖１．２（ｂ）所示。當(dāng)將多模逡逑半導(dǎo)體激光器的模式間隔調(diào)整到和光柵的反射譜線線寬一致或者更窄時(shí)

圖１．３光注入式自混合激光多普勒測速系統(tǒng)裝置圖逡逑Ｃｈｉｈ－Ｈａｏ邋Ｃｈｅｎｇ等提出了邋一種對自混合干涉進(jìn)行光注入式拍頻探測的技術(shù)逡逑手段［７５］。實(shí)驗(yàn)裝置如圖１．３所示。利用兩個(gè)光學(xué)頻率分量的拍頻產(chǎn)生的光載微波逡逑來探測目標(biāo)，顯著減弱了由于散斑噪聲引起的多普勒信號中的譜線展寬。同時(shí)，逡逑基于光注入式拍頻的激光自混合多普勒測速技術(shù)結(jié)合了自混合干涉的光路優(yōu)點(diǎn)，逡逑比如具有方向可辨性，自對準(zhǔn)，高靈敏度和緊湊的設(shè)置等，因此在不同散斑噪聲逡逑條件下，當(dāng)覆蓋紙片的目標(biāo)以５ｍ／ｓ的橫向速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，測量的平均速度分辨率逡逑為０．４２ｍｍ／ｓ，ＳＮＲ可達(dá)到２２．１邋ｄＢ。與傳統(tǒng)的單頻自混合激光多普勒測速儀相比，逡逑這種測速技術(shù)的速度分辨率提高了邋２０倍，信噪比提高了邋８邋ｄＢ。這種探測技術(shù)的逡逑缺點(diǎn)是光源的系統(tǒng)比較復(fù)雜，因此在應(yīng)用范圍上受到了一定的限制。逡逑１．３．４激光自混合干涉的光柵衍射探測逡逑一直以來

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