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半导体制冷式氦氖激光器稳频技术的研究

作　者: 杨家慧
导　师: 吴丽莹
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 横向塞曼效应 氦氖激光器稳频 半导制冷器
分类号: TN248
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


在精密计量中,通常采用激光的波长作为长度基准。但自由运转的氦氖激光器,光频率(波长)稳定度仅为10-6,无法满足超精密测量的要求。激光稳频技术的应用就是为了得到波长高稳定的相干激光光源,从而提高测量精度,严格控制产品质量。基于横向塞曼效应的稳频激光器,频率稳定度高,抗干扰能力强,输出功率大,差拍信号频率低、易于接收和处理,可直接输出相干性和偏振度都很好的线偏振光,便于测量偏振、双折射等物理量。所以可用于生物检测、偏振特性检测、膜厚测量、折射率测量、物体微小形变测量等方面。本文介绍了氦氖激光器常用的稳频技术,重点研究塞曼效应稳频技术,将纵向和横向塞曼效应激光器作了特点对比,分析了加热和制冷两种方式控制激光腔长的优缺点,制定了使用半导体制冷器(TEC)控温方案,既能克服加热型控温热量积累易失控的不足,也能解决风冷型稳频精度低的问题,还实验分析了激光管在不同条件下的温度特性。在上述研究的基础上,制定了半导体制冷式氦氖稳频激光器的总体方案。激光稳频系统分为主、从两个控制部分,主控制部分实现激光稳频控制,从控制部分控制外壳温度,用以减小外界环境对激光稳频控制部分的影响。系统硬件部分包括温控机械结构、拍频信号采集电路、单片机控制与D/A转换输出电路、半导体制冷器驱动电路、温度测量电路;软件部分包括单片机模糊PID稳频控制部分、上位机拍频曲线与外壳温度实时显示程序。仪器完成了设计、装调、运行任务,并对其频率稳定度进行了实测,频率稳定度指标为1.74×10-9,稳频时激光管温度在430C左右,达到了预期目标。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-14
  1.1 课题的研究目的和意义  9-10
  1.2 稳频技术国内外发展情况  10-13
  1.3 主要研究内容  13-14
第2章 氦氖激光器稳频技术  14-24
  2.1 氦氖激光器结构  14-16
  2.2 稳频技术  16-23
    2.2.1 激光频率变化的原因  16-17
    2.2.2 常见稳频方法的原理  17-19
    2.2.3 塞曼效应稳频  19-23
  2.3 本章小结  23-24
第3章 系统方案设计  24-30
  3.1 系统方案选择  24-26
    3.1.1 闭环控制系统  24
    3.1.2 反馈信号的选择  24-25
    3.1.3 控制器的选择  25-26
    3.1.4 执行元件的选择  26
  3.2 激光稳频系统设计  26-29
  3.3 本章小结  29-30
第4章 系统硬件设计  30-42
  4.1 控温结构设计  30-34
    4.1.1 半导体制冷器  30-33
    4.1.2 控温结构  33-34
  4.2 激光稳频系统电路设计  34-40
    4.2.1 拍频信号采集电路  34-36
    4.2.2 单片机控制与D/A 转换输出电路  36-38
    4.2.3 半导体制冷器驱动电路  38-39
    4.2.4 温度测量  39-40
  4.3 外壳控温系统电路设计  40-41
  4.4 本章小结  41-42
第5章 系统软件设计  42-49
  5.1 单片机程序设计  42-46
    5.1.1 主程序设计  42-43
    5.1.2 模糊PID 控制  43-46
  5.2 上位机程序设计  46-48
    5.2.1 拍频曲线实时显示程序  46-47
    5.2.2 外壳温度实时显示程序  47-48
  5.3 本章小结  48-49
第6章 实验与数据分析  49-61
  6.1 获得拍频曲线的实验  49-51
    6.1.1 确定自然偏振轴的实验  49-50
    6.1.2 确定特征磁场  50-51
  6.2 电路调试与测试  51-53
    6.2.1 测频准确度实验  51-52
    6.2.2 TEC 驱动电路线性度实验  52-53
  6.3 测试半导体制冷器的性能的实验  53-55
    6.3.1 TEC 等效电阻测量  53-54
    6.3.2 TEC 温度特性测量  54-55
  6.4 激光谐振腔的温度特性实验  55-57
  6.5 外壳控温效果  57-58
  6.6 稳频控制效果  58-59
  6.7 本章小结  59-61
结论  61-62
参考文献  62-65
附录1 单片机控制电路实物图  65-66
附录2 稳频控制实物图  66-68
致谢  68

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 激光技术、微波激射技术 > 激光器
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