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论文书写规范

索取号：

密级：

博士学位论文

相位调制型激光自混合干涉测量

微纳米技术的研究

研究生：

ⅹⅹⅹ

指导教师：

ⅹⅹ教授

培养单位：

物理科学与技术学院

一级学科：

电子科学与技术

二级学科：

物理电子学

完成时间：

2007年3月10日

答辩时间：

2007年5月25日

博士学位论文

物理电子学

ⅹⅹ

南京师范大学

学位论文独创性声明

本人郑重声明：

所提交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。

本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。

本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。

其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。

学位论文作者签名：

日期：

学位论文使用授权声明

研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属南京师范大学。

学校有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以采用影印、复印等手段保存、汇编本学位论文。

学校可以向国家有关机关或机构送交论文的电子和纸质文档，允许论文被查阅和借阅。

（保密论文在解密后遵守此规定）

保密论文注释：

本学位论文属于保密论文，保密期限为年。

学位论文作者签名：

指导教师签名：

日期：

日期：

摘要

激光自混合干涉是指激光器输出的光被外部物体反射或散射后，其中一部分光又反馈回激光器的谐振腔。

反馈光携带了外部物体的信息，与腔内光相混合后，调制激光器的输出，形成自混合干涉。

激光的自混合干涉来源于激光器的外部光反馈效应，以前人们总是设法消除光反馈的影响，后来逐渐的由消除光反馈的不利影响到主动利用光反馈效应检测物理量，从而形成了一门新的技术。

为了提高自混合干涉的微位移测量精度，高精度的相位测量法被引入自混合干涉技术中，已见报道主要有两种方法：

注入电流调制和外腔长度调制方法。

……

………………………………………………………………

关键词：

自混合干涉，相位调制，电光晶体……

II

Abstract

Whenaportionoflightemittedfromalasersourceisreflectedorscatteredbackintothelasercavitybyanexternaltarget,thereflectedlightwillmixwiththelightinsidethecavity,causingamodulationofthelaseroutputpower.Thisphenomenoniscalledasself-mixinginterference（SMI）,inwhichthereflectedlightcarriessomeinformationoftheexternaltarget.Theself-mixinginterferencecomesfromtheopticalfeedbackeffect.Peoplealwaystriedtoeliminatetheopticalfeedbackeffectpreviously.Graduallypeoplebegantomakeuseofitactivelytomeasuresomephysicalquantities,thusself-mixinginterferencetechnologywasbroughtforth.

Inordertoimprovethedisplacementmeasurementaccuracyoftheself-mixinginterference,highaccuracyphasemeasurementmethodisintroducedintotheSMIsystem.…………

……

……

Keywords:

Self-mixinginterference,Phasemodulation,Electro-opticmodulator

目录

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1激光自混合干涉技术的兴起及发展1

1.2激光自混合干涉技术各国研究现状1

1.2.1以S.Donati为代表的意大利研究小组1

1.2.2以Gratten为代表的英国研究小组2

第2章激光自混合干涉效应基本理论及实验研究3

2.1激光自混合干涉系统理论模型3

2.2激光自混合干涉现象定量观察4

2.2.1实验装置4

2.2.2实验结果4

第6章结论5

附录A6

参考文献7

在读期间发表的学术论文及研究成果8

致谢9

第1章绪论

干涉测试技术是以光波干涉原理为基础进行测试的一门技术，与一般的光学成象测试技术相比，具有更高的测试灵敏度和精度；绝大部分的干涉测试都是非接触式的测量，不会给被测件带来表面损伤和附加误差。

干涉测试技术应用十分广泛，几乎已经被应用到所有的工业部门和科学研究上。

激光的出现，解决了光干涉技术的光源性能问题，半导体激光器的引入，使光源调制灵活，方便且大大减小了光源尺寸和造价问题，结合计算机，则极大的提高了干涉信号的处理速度。

……

……

……

1.1激光自混合干涉技术的兴起及发展

激光自混合干涉是指在激光应用系统中，激光器输出的光被外部物体反射或散射后，其中一部分光又反馈回激光器的谐振腔，反馈光携带外部物体的信息，与激光腔内的光相混合后，调制激光器的输出功率，因输出的光信号与传统的双光束干涉有相似之处，故被称之为自混合干涉（self-mixinginterference）。

追溯激光自混合效应的起源，可以归属为激光器外部光反馈效应。

由于光反馈作用的结果可严重的影响激光器的输出特性，所以在激光应用系统中，光反馈对系统的影响一直是备受关注的问题。

人们总是试图消除光反馈的不利影响，因此研究者特别关注光反馈引起的光噪声[1-2]谱线展宽[3-4]和相干猝灭现象[5-6]等方面的研究，这些效应带给激光系统致命性的破坏。

随着研究的深入，人们逐渐由消除光反馈的不利影响到主动利用光反馈现象进行物理量的测量，从而形成激光自混合干涉技术。

……

……

……

1.2激光自混合干涉技术各国研究现状

1.2.1以S.Donati为代表的意大利研究小组

S．Donati是意大利Pavia大学电子系的教授，早在1975年就开始研究激光反馈干涉仪。

1978年他利用背向散射效应，用He-Ne激光构成自准直仪[23]，之后，研究兴趣一直集中在外腔激光器，研究外部光场对激光器的影响[24]。

近年来，其研究小组连续报道了他们的研究成果，1995年，首次研制出用于矢量位移测量的激光管反馈干涉仪[25]，该系统在一定反馈强度下，激光器处于双稳态，干涉信号包含位移信息，用硬件电路实现位移的自动测量和方向判别。

1996年，结合个人计算机，考虑温度控制，用软件实现了位移的自动测量和方向辨识[26]。

在以上研究基础上，1997年，该小组又报道了不同光反馈水平下位移重构的软件实现[27]。

该研究小组一直未采用“自混合”术语，而是习惯称之为“单通道”或者“光反馈”干涉仪。

该研究小组对自混合干涉位移测量技术的发展，作出了巨大的贡献。

1.2.2以Gratten为代表的英国研究小组

Gratten先生是英国City大学，电子与信息工程系教授，1993年，其科研小组报道了光反馈型光纤耦合LDV，光纤的引入使自混合型LDV的信噪比大大提高[28]。

自93年以来开始明确采用：

“自混合”术语[15]。

很快被国际同行接受并使用。

其小组注重观察各种自混合干涉现象并加以利用，许多新的实验现象有该小组首先报道，如多模激光的自混合干涉效应、倾斜外腔的倍频现象[29]等。

提出了独具特色的应用系统，如自混合干涉结构的波长合成系统，自混合干涉结构与微谐振器组合的光学微机械测量系统[30]。

为自混合干涉的机理探讨和应用研究做出了重要的贡献。

……

……

……

第2章激光自混合干涉效应基本理论及实验研究

2.1激光自混合干涉系统理论模型

激光器的自混合即激光反馈效应，激光器输出光被外部物体反射或散射后，其中一部分光又被反馈，并耦合到内激光腔。

重新注入的激光与激光腔内的光混合，引起输出功率和频率的变化，形成激光器的自混合效应。

当被测物距离激光器的距离小于激光相干长度的一半时，自混合干涉系统可作为复合腔激光器，用三镜腔模型等效，等效图如图2.1

图2.1实验装置示意图

这里忽略光在外腔中的多次反馈效应。

ν激光器的发光频率，r1、r2是激光腔面M1、M2的幅值反射率，r3为外部反射镜M3的幅值反射率，t是镜面M2由内腔到外腔的透射系数。

……

……

……

2.2激光自混合干涉现象定量观察

2.2.1实验装置

图2.8半导体激光自混合干涉定量观察实验系统

半导体激光自混合干涉定量分析系统的实验装置如图2.8。

将图2.7中的He-Ne激光器换为一个半导体激光器，由半导体激光器中自带的PD对自混合干涉信号进行监测，无需外置PD。

由于半导体激光器发光区几何尺寸的不对称。

……

……

2.2.2实验结果

将图2.16和图2.17中实验得到的自混合干涉条纹数和表1中的理论值相比较发现，实验条纹数和理论值基本符合，也就是从实验上验证了一个自混合干涉条纹对应与外腔λ/2移动，而自混合干涉条纹的倾斜情况则可以用来确定PZT的位移方向。

表2.1理论计算得到的PZT运动一个周期内干涉条纹数

图2.12、2.13

振动幅度（p-p）（μm）

理论计算的条纹数

（a）

（b）

（c）

0.7μm

1.3μm

2μm

2.2

4.1

6.3

第6章结论

量程和分辨率的提高是所有测量技术追求的共同目标，自混合干涉系统具有传统干涉系统所无法比拟的结构简单、紧凑、干涉信号含有方向信息等优势，但传统干涉技术由于其悠久的历史、在提高干涉相位测量精度方面积累了许多成熟的技术，相应如此，自混合干涉信号处理方法研究起步较晚，这方面有待于深入研究。

为了提高自混合干涉的微位移测量精度，高精度的相位测量法被引入自混合干涉中，已见报道主要有两种方法：

线性电流调制和外腔长度调制方法。

注入电流调制是半导体激光自混合干涉仪最常用的一种调制方法，通过改变半导体激光器的注入电流来调制单模激光器的输出频率。

但电流调制以其固有的缺点，如温漂大、边模抑制比低、波长连续调制范围小等等，制约了其应用的范围。

……

……

……

附录A

表A1ELD63NT15型LD电气参数

参考文献

[1]M.Fujiwara,K.KubotaandR.Long.Low-frequencyintensityfluctuationinlaserdiodewithexternalopticalfeedback.Appl.Phys.Lett.,1981,38（4）:

217-220

[2]H.Yasaka,Y.Yoshikuni,H.Kawaguchi.FMnoiseandspectrallinewidthreductionbyincoherentopticalnegativefeedback.IEEE.J.Q.E.,1991,27

（2）:

193-204

[3]L.Goldberg.Spectralcharacteristicsofsemiconductorlaserwithopticalfeedback.IEEEJ.Q.E.,1982,18（6）:

555-563

[4]T.Chartier,B.Mezine,F.Sanchez,etal.OpticalfeedbackeffectsinNd-dopedfiberlaserswithbroadbandspectra.Appl.Opt.,1996,35（12）:

2016-2022

……

……

在读期间发表的学术论文及研究成果

1.D.Guo,M.WangandS.Tan,Self-mixinginterferometerbasedonsinusoidalphasemodulatingtechnique.OpticsExpress，2005,13（5）:

1537-1543（SCI&EI）

2.D.GuoandM.Wang,Self-mixinginterferometerbasedontemporal-carrierphase-shiftingtechniqueformicro-displacementreconstruction.OpticsCommunications，2006，263

（1）:

91-97（SCI&EI）

3.D.GuoandM.Wang,Self-mixinginterferometrybasedonadoublemodulationtechniqueforabsolutedistancemeasurement.Applied.Optics，2007,46（9）:

1486-1491（SCI&EI）

4.郭冬梅，谈苏庆，王鸣，正弦相位调制自混合干涉微位移测量精度分析.光学学报,2006，26（6）:

845-850（EI）

D.GuoandM.Wang,Anewself-mixinginterferometerformicro-displacementreconstruction.Proc.ofSPIE,2006,6341:

634123（EI）

致谢

衷心感谢我的导师…………