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中频差双频激光干涉测量系统的初步研究

作　者: 范志军
导　师: 李岩
学　校: 清华大学
专　业: 光学工程
关键词: 双频激光干涉仪高测速中频差外差干涉信号处理
分类号: TH744.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

双频激光干涉仪是应用广泛的精密测量仪器。其核心元件是双频激光器,它输出两个偏振态不同的频率,以其波长作为基本尺度实现长度测量。最近本小组研制出3～40MHz频差可控的He-Ne激光器。为了区别于目前国内外双频激光干涉仪光源的3MHz以下的“小频差”和双折射双频激光器产生的40MHz以上的“大频差”,我们称之为 “中频差”。受光源频差低的限制,目前双频激光干涉仪最高测量速度不超过1m/s,而以这种激光器作光源的干涉仪允许的最高测速可达到4m/s或者更高。本文尝试用这种激光器构建双频激光干涉测量系统。本文的内容主要有两部分,一部分分析了中频差双频激光干涉测量系统的光学特性,并据此搭建了系统光路,另一部分着重讨论了中频差外差干涉信号处理方法,特别是整数检测问题。具体而言,光学部分文章提出在光路中添加半波片以调制两束线偏振光的偏振态,进而搭建系统光路,讨论了各种可能的情况,并设计调试步骤,最后观察到了较好的频移现象。在信号处理方面,文章设计并调试通过了光电转换及前置放大电路板,得到较好的拍频信号,讨论了两类基于CPLD的整数检测方案,一类是对顶错位脉冲消除法,提出纯数字电路的双状态字对顶错位脉冲消除电路,这种电路取得一定效果,但实际工作稳定性还有待提高。另一类是大数对减法,即先对两路脉冲分别进行计数然后由计算机进行对减,提出逐步求差法降低信号处理系统对计数器位数的要求,这种方法可得到50MHz以下无累积误差的计数结果。干涉仪的几大功能模块均调试通过,只需将各部分组合起来即可实现初步的测量功能。

全文目录

第一章引言  8-18
  1.1 课题研究背景及意义  8-9
  1.2 国内外双频激光干涉仪发展现状  9-16
    1.2.1 美国Agilent(原HP)公司  9-12
    1.2.2 机械部成都工具所  12-13
    1.2.3 美国ZYGO公司  13-14
    1.2.4 英国Renishaw公司  14-15
    1.2.5 中国普锐科创公司  15-16
  1.3 论文的工作目标  16-18
第二章中频差双频激光干涉测量系统工作原理  18-26
  2.1 塞曼-双折射双频激光器  18-20
    2.1.1 塞曼-双折射双频激光器结构及原理  18-19
    2.1.2 塞曼-双折射双频激光器的稳频  19-20
  2.2 基本光学原理  20-23
    2.2.1 拍频原理  20-21
    2.2.2 多普勒效应  21-22
    2.2.3 偏振现象  22-23
  2.3 双频激光干涉仪测量原理  23-26
第三章中频差双频激光干涉测量系统光学及机械设计  26-34
  3.1 中频差双频激光干涉测量系统光路分析  26-28
  3.2 用半波片调制线偏振光的实验及结果  28-29
  3.3 光学元件选购及机械部件设计  29-31
  3.3 系统光路的现象分析及装调  31-34
    3.3.1 现象分析  31-32
    3.3.2 装调步骤  32-34
第四章中频差外差干涉信号处理方法研究  34-58
  4.1 外差信号处理方法综述  34-39
  4.2 中频差外差干涉信号处理  39-55
    4.2.1 光电转换及前置放大处理  39-44
    4.2.2 大数对减法  44-48
    4.2.3 对顶错位脉冲消除法  48-55
  4.3 PC104数据采集及计算  55-58
    4.3.1 数据采集  55-56
    4.3.2 数据计算  56-58
第五章实验结果及讨论  58-64
  5.1 前置放大处理结果  58
  5.2 频移现象观察  58-59
  5.3 对顶错位脉冲消除结果  59-60
  5.4 计数器结果及分析  60-64
第六章论文工作总结与展望  64-65
参考文献  65-68
致谢  68-70
附录1系统机械零件设计图  70-73
附录2 CPLD器件编程主要程序(VHDL)  73-76
附录3 PC104数据采掘及运算程序(C)  76-79
个人简历、攻读学位期间发表的学术论文  79

中频差双频激光干涉测量系统的初步研究

内容摘要

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