纵向塞曼激光器大频差分裂及稳频技术研究

论文摘要

微电子、光电子装备业的迅猛发展,对测量系统的测量精度,测量速度等指标提出了更高的要求,双频激光干涉测量技术以其非接触、可溯源、高精度等特点成为目前超精密测量技术的主流技术手段。作为双频激光干涉测量技术的核心部件,双频激光光源的波长稳定度、复现性、频差的大小直接决定了测量所能达到的最高精度与最高测量速度。本文详细分析了双频激光光源研究现状,总结了大频差双频激光光源的优缺点,并以性价比最高的纵向塞曼稳频激光器为研究对象,针对国外大频差高稳定性双频激光光源技术的封锁与国内纵向塞曼双频激光器频差低、频率复现性差的问题,研究一种高稳定性、大频差分裂纵向塞曼激光器。通过塞曼频差分裂与磁场关系的分析,磁场模型的建立,纵向塞曼激光器机械结构、光路结构、控制电路的设计与优化,提高塞曼稳频激光器的频差与频率复现性。论文主要完成工作如下:首先,针对国内纵向塞曼激光器双频频差小、频率稳定性差的问题,分析塞曼频差分裂与磁场关系,根据磁场均匀性要求确定空心圆柱永磁体结构,并利用等效电流模型来建立空心圆柱体永磁体的磁场模型,最后优化特定激光管的磁体结构参数,确保塞曼分裂所需磁场的强度与均匀性,以此来提高塞曼稳频激光器的频率稳定度。其次,针对现有塞曼稳频激光器温度测量模块不能准确反应激光管腔长随温度的变化关系,而导致频率复现性差的问题,提出基于加热薄膜电阻热效应的激光管复合式加热与测温方法,在激光管管壁粘贴加热薄膜作为加热元件,通过检测加热薄膜的电阻变化,来表征激光管表面的真实温度,在此基础上重新设计预热阶段的程序,使得纵向塞曼激光器进入稳频时间缩短,稳频时预设温度点一致,以此来提高纵向塞曼激光器的频率复现性。最后,设计纵向塞曼激光器所需的机械结构、光路结构和部分电路,集成大频差纵向塞曼激光器。为验证所设计模块及集成激光器的性能,搭建系统实验平台,完成磁场模块,光路模块及电路模块的测试,并对系统的频差、频率稳定度和频率复现性进行测试。实验结果表明,所研制激光器塞曼频差为3.6MHz,2h内频率稳定度达到2.1×10-9,10天内频率复现性为8.4×10-9。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 双频激光器技术国内外研究现状

1.2.1 双纵模激光器

1.2.2 双折射双频激光器

1.2.3 声光调制激光器

1.2.4 双光源频差锁定激光器

1.2.5 塞曼激光器

1.3 双频激光器热稳频技术研究现状

1.3.1 传统热稳频技术研究现状

1.3.2 新型热稳频技术研究现状

1.4 课题主要研究内容

第2章塞曼分裂效应及纵向塞曼稳频方案设计

2.1 引言

2.2 大频差增益曲线分裂分析

2.2.1 塞曼效应

2.2.2 模牵引效应

2.2.3 磁场强度和塞曼频差的关系

2.3 纵向塞曼稳频原理及方案设计

2.3.1 稳振幅法稳频原理

2.3.2 纵向塞曼稳频总体方案设计

2.4 本章小结

第3章大频差纵向塞曼激光器磁场设计

3.1 引言

3.2 磁体特性分析

3.2.1 磁体均匀性与稳频精度的关系

3.2.2 纵向磁场发生装置的选择

3.3 空心圆柱永磁体磁场模型的建立

3.3.1 等效电流模型

3.3.2 空心圆柱永磁体磁场的等效电流模型

3.3.3 空心圆柱永磁体中心轴线磁场分布特性分析

3.4 本章小结

第4章高频率复现性稳频控制系统设计

4.1 引言

4.2 硬件电路设计

4.2.1 外差接收模块

4.2.2 稳频控制模块

4.3 测温模块设计

4.3.1 基于加热薄膜测温方式的原理

4.3.2 基于加热薄膜的测温电路原理验证及设计

4.4 数字稳频程序设计

4.4.1 稳频条件判别

4.4.2 稳频控制算法

4.5 本章小结

第5章系统集成及实验

5.1 引言

5.2 系统装置集成

5.2.1 光路结构设计

5.2.2 整体机械结构设计

5.2.3 硬件电路设计制作

5.2.4 .空心圆柱永磁体制作及充磁

5.3 系统实验测试

5.3.1 光功率模块噪声测试

5.3.2 塞曼频差测试

5.3.3 外差接收模块测试

5.3.4 温度控制模块测试

5.3.5 激光管自然预热实验

5.3.6 频率稳定性测试

5.3.7 稳频时间测试

5.3.8 频率复现性测试

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 祁春雨

导师: 杨宏兴

关键词: 纵向塞曼,激光稳频,塞曼频差,频率稳定度,频率复现性

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: TN248

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.002658

总页数: 80

文件大小: 2666K

下载量: 57

纵向塞曼激光器大频差分裂及稳频技术研究

论文摘要

论文目录

文章来源

相关论文文献

猜你喜欢