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基于移相干涉解调的实时激光波长监测与调谐系统

基于移相干涉解调的实时激光波长监测与调谐系统

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作者：王育之南京理工大学

学位级别：硕士

在涉及激光源的诸多应用中,如光学干涉仪器、光纤传感器和引力波传感等,需要非常稳定的激光波长。然而,由于外界的环境影响,如温度和环境的变化,激光的波长会随着时间缓慢漂移,这限制了激光器在高精度检测领域应用的适用性。本论文主要... 详细信息

在涉及激光源的诸多应用中,如光学干涉仪器、光纤传感器和引力波传感等,需要非常稳定的激光波长。然而,由于外界的环境影响,如温度和环境的变化,激光的波长会随着时间缓慢漂移,这限制了激光器在高精度检测领域应用的适用性。本论文主要对大口径移相型干涉仪中激光光源的稳定性监测和调谐等关键问题展开研究,主要工作如下:（1）提出基于偏振移相干涉的实时波长监测方法。该方法使用偏振移相干涉法将激光的波长转化为携带相位信息的光强信号,随后的数据处理部分包括低通滤波、光强校准、基于坐标旋转数字计算（Coordinate Rotation Digital Computer,Cordic）算法的相位计算,以及基于阈值判断的相位解包,以上算法流程都完成了基于现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array,FPGA）的实时处理架构设计。我们使用Newfocus TLB7000型号激光器完成了实时波长监测实验,结果证明激光在1个小时内相位变化的最大幅度为37.26rad,对应的波长变化为0.637pm,波长相对不稳定度为2.556×10。所提出的波长监测方法对比波长计具有相当的测量精度,并且在价格成本上具有优势。（2）波长实时稳定与调谐。在波长监测的基础上加入基于FPGA的比例积分微分（Proportional Integral Differential,PID）控制器,通过优化PID参数,使激光相位能快速的稳定在设定相位上,实现激光调谐功能。实验证明,在1个小时的闭环控制下,相位能够始终稳定在0rad,变化的最大幅度为0.111rad,对应的波长变化为0.0019pm,波长不稳定度为2.339×10,相比开环情况下提升了约1093倍。（3）基于无迹卡尔曼滤波的相位解包。在标准的卡尔曼滤波基础上,引入无迹变换拟合非线性的观测函数,并使用Cordic算法实现非线性的三角函数。仿真实验证明无迹卡尔曼滤波相位解包具有更好的抗噪声能力,并且在强噪声环境下也能正确的解包相位。最后算法在基于FPGA的硬件上实现,数据从输入到输出消耗33个时钟周期,且具有较高的计算精度,计算误差的平均值小于0.01rad。

关键词：偏振移相干涉激光波长监测激光波长稳定无迹卡尔曼滤波相位解包 FPGA

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光学元件位相缺陷的动态检测方法研究

光学元件位相缺陷的动态检测方法研究

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作者：马云南京理工大学

学位级别：硕士

在能源技术、国防军事等需求牵引下,高功率激光装置的研究势头迅猛,高精度光学元件的使用量明显增加,对于光学元件位相缺陷的检测提出了更加严格的要求。目前采用的位相缺陷检测方案大多难以抵抗环境振动、无法辨别缺陷类型。针对位相... 详细信息

在能源技术、国防军事等需求牵引下,高功率激光装置的研究势头迅猛,高精度光学元件的使用量明显增加,对于光学元件位相缺陷的检测提出了更加严格的要求。目前采用的位相缺陷检测方案大多难以抵抗环境振动、无法辨别缺陷类型。针对位相缺陷的动态检测问题,本文提出了两种方案:(1)基于多幅移相干涉图的短相干动态泰曼干涉仪,(2)基于单幅线性载频干涉图的反射式点衍射干涉仪。针对缺陷的类型判别问题,本文基于无镜成像算法提出了缺陷类型判据。主要研究工作包括:第一,针对位相缺陷测试过程中的环境振动问题,提出了短相干动态泰曼干涉方案与线性载频点衍射干涉方案。研究了偏振干涉原理,结合短相干正交偏振光源与同步移相干涉术,实现了位相缺陷的动态测量;研究了点衍射干涉原理,利用点衍射板在参考光与测试光之间引入横向错位量,结合FFT算法实现了位相缺陷的瞬态测量。第二,针对缺陷类型的判别问题,建立了基于点衍射干涉的无镜成像理论模型,提出了缺陷类型判据。研究了平面波角谱理论,通过设定虚拟透镜构建了虚拟像面,实现了球面波衍射传输到平面波衍射传输的转换,抑制了缺陷的衍射效应,实现了缺陷类型的判别。第三,为了校准系统精度,用本文提出的两套装置与Taylor Hobson轮廓仪测量同一块台阶板,结果表明,短相干动态泰曼干涉仪的相对误差为5.1nm,点衍射干涉仪的相对误差为3.5nm,满足精度要求。第四,为验证本文提出的缺陷类型判别方法的正确性,使用反射式点衍射干涉仪检测了一块光学平晶中的振幅缺陷及位相缺陷,结合无镜成像算法对波面进行传输,验证了所提缺陷类型判据的正确性。为模拟位相缺陷,制作了激光毁伤板与位相板,并使用本文提出的两台干涉仪对其进行检测,结果表明,本文提出的两台干涉仪都能够应用于位相缺陷的检测。第五,分析了短相干动态泰曼干涉仪的测量误差。研究了二次衍射、偏振器件误差对测量结果的影响。讨论了反射式点衍射干涉仪中的关键技术与误差来源。设计了点衍射板的膜系结构、针孔形状与针孔尺寸,分析了FFT算法的处理精度、系统的空腔误差、光学元件制造误差及实验操作误差。

关键词：动态干涉测量位相缺陷偏振移相干涉点衍射干涉

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