论文摘要
飞秒激光作为本世纪最受关注的技术之一,为精密测量领域时空分辨力的提升提供了突破性的新方法和新技术。这主要体现在两个方面:（1）飞秒激光的脉冲重复频率可以溯源至原子钟频率基准,将脉冲与脉冲之间的空间距离精度锁定到原子跃迁的共振频率稳定性上,利用这绝对精确的距离作为一把标尺去测量几何量可以达到超高的空间分辨力;（2）飞秒激光的脉冲宽度为10-15s量级,该时间尺度在宇宙大统一作用力崩解与电弱对称崩解的时间之间,利用单个飞秒脉冲对物理现象进行曝光捕获,可以达到超高时间分辨力。本文以实现精密表面形貌测量中的超高时空分辨力为任务,开展了基于飞秒激光的静态表面和动态表面形貌测量理论和方法研究。论文的主要工作总结如下:1)开展了飞秒激光光源相干性定量测量方法研究。测量结果表明,光纤飞秒激光光源具有高空间相干性和低时间相干性。基于飞秒激光搭建的干涉系统可以消除寄生噪声条纹对测量的影响,验证了飞秒激光对提高光学干涉成像测量视场和条纹分辨力的可行性。2)提出了基于低相干扫描的大视场粗糙表面形貌测量方法。根据飞秒激光的相干特性,分析了飞秒激光相干扫描干涉理论,研究了干涉条纹的零级条纹识别算法。针对粗糙表面,提出了光强偏振调制的技术,保证了干涉对比度,以粗抛光中的巨型麦哲伦望远镜镜面碳化硅基板为例,实现了高精度、大视场粗糙表面的三维形貌测量。3)搭建了基于飞秒激光重复频率扫描的多目标表面形貌并行测量系统并彻底解决了在线测量精度溯源问题。利用溯源至原子钟的飞秒激光重复频率扫描,进行不同干涉仪站点中不同级脉冲之间的扫描干涉并实现了多个表面形貌测量,完成了从空间测量精度到频率测量精度的转化,彻底解决了现有相干扫描干涉垂直分辨力难以溯源以及难以实现并行检测等问题。利用所搭建的系统对硅晶片和量块进行了纳米精度的表面形貌测量,验证了该方法的高测量精度和在线并行检测能力。4)研究了光纤飞秒激光脉冲数字全息干涉测量方法。基于飞秒激光超短脉冲宽度特性,将单脉冲成像技术与数字全息干涉技术相结合,实现了动态表面形貌测量的超高时间分辨力。利用脉冲飞行时间与相机曝光时间的同步匹配对被测目标进行曝光和成像,深入研究了低重复频率飞秒激光放大的ASE干涉成像噪声抑制技术,并进行了不同方法对比和技术特点总结。以反射式离轴数字全息干涉系统为例,实现了声致薄膜振动的动态表面进行测量。5)结合泵浦探测技术,提出了基于单脉冲数字全息干涉的平面光声波瞬时测量方法。研究了光声波激发及传播原理,分析了热扩散和压力扩散限制对光声成像的要求,设计并搭建了透射式单脉冲数字全息泵浦探测系统,对飞秒激光泵浦激发丙酮溶液的瞬时光声波进行测量。和传统光声波测量方法相比,该测量方法无需区域扫描或电子噪声平均化,具有理想的图像对比度,首次实现了光声波超高时间分辨力和高空间分辨力的二维平面表征。
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致谢摘要abstract第一章 绪论 1.1 引言 1.2 静态表面高精密形貌测量技术及其研究现状 1.2.1 触针式表面轮廓仪 1.2.2 非光学扫描显微镜 1.2.3 光学相移干涉测量系统 1.2.4 相干扫描干涉表面形貌测量系统 1.2.5 共焦显微镜 1.2.6 光谱分辨干涉表面形貌测量 1.2.7 数字全息显微镜 1.3 超高时间分辨力动态表面测量技术及其研究现状 1.3.1 光谱成像干涉技术 1.3.2 超快数字全息显微镜 1.3.3 光谱时空编码成像显微镜 1.3.4 超快空间相移干涉仪 1.4 课题的意义和作者主要工作及创新第二章 飞秒激光空间相干性研究 2.1 引言 2.2 光源空间相干性测量理论 2.3 飞秒激光空间相干性测量系统构成 2.3.1 分波前杨氏双缝干涉系统 2.3.2 分振幅Michelson干涉系统 2.4 飞秒激光相干性测量结果分析 2.5 光源相干性对光学干涉表面形貌测量的影响分析 2.6 本章小结第三章 大视场粗糙表面低相干扫描形貌测量 3.1 引言 3.2 相干扫描干涉系统及测量理论 3.2.1 大视场相干扫描干涉表面形貌测量系统 3.2.2 飞秒激光相干扫描干涉理论 3.2.3 相干扫描干涉中的零级条纹识别算法 3.3 粗糙表面低相干干涉系统配置及光强调制 3.4 测量结果分析 3.5 本章小结第四章 飞秒激光重复频率扫描多目标表面形貌测量 4.1 引言 4.2 测量系统构成 4.3 飞秒激光扫频脉冲干涉原理 4.4 光纤飞秒激光器的重复频率控制 4.4.1 重复频率控制方法 4.4.2 重复频率控制精度分析 4.5 干涉系统光纤光路延时设计 4.6 fr扫描相干干涉的表面形貌重构算法 4.7 测量结果分析 4.8 本章小结第五章 光纤飞秒激光脉冲数字全息干涉技术 5.1 引言 5.2 单脉冲数字全息干涉方法 5.2.1 数字全息干涉记录 5.2.2 数字全息干涉再现 5.2.3 数字全息再现算法 5.2.4 单脉冲数字全息干涉 5.3 基于声光调制器的光纤飞秒激光降频 5.3.1 声光调制器降频工作原理 5.3.2 声光调制降频实验结果 5.4 低重复频率飞秒激光放大与成像噪声 5.4.1 激光放大工作原理及自发辐射噪声 5.4.2 ASE噪声对单脉冲干涉成像的影响 5.5 单脉冲干涉ASE噪声的抑制方法 5.5.1 时间平均相位调制技术 5.5.2 相邻脉冲干涉技术 5.5.3 串联脉冲选择技术 5.5.4 非线性倍频技术 5.5.5 几种ASE噪声抑制方法对比 5.5.6 飞秒激光脉冲时间对比度测量 5.6 声致薄膜振动动态表面测量 5.7 本章小结第六章 光声波的瞬时二维平面测量 6.1 引言 6.2 光声波激发及传播原理 6.2.1 调制连续激光光热效应的热传导 6.2.2 脉冲激光光热效应的热传导 6.2.3 光传播介质内光声压与折射率的关系 6.3 单脉冲数字全息泵浦探测系统设计 6.4 单脉冲数字全息泵浦探测实验结果 6.4.1 掺镱光纤激光放大器ASE噪声抑制结果 6.4.2 泵浦探测结果 6.5 本章小结第七章 总结与展望 7.1 论文的主要研究内容和创新点 7.2 论文研究工作的进一步展望参考文献攻读博士学位期间的学术活动及成果情况
文章来源
类型: 博士论文
作者: 陆洋
导师: 于连栋
关键词: 飞秒激光,表面形貌测量,相干特性,时空分辨力
来源: 合肥工业大学
年度: 2019
分类: 基础科学,信息科技
专业: 物理学,无线电电子学,计算机软件及计算机应用
单位: 合肥工业大学
分类号: TP391.41;TN249
DOI: 10.27101/d.cnki.ghfgu.2019.000653
总页数: 135
文件大小: 7925k
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标签：飞秒激光论文; 表面形貌测量论文; 相干特性论文; 时空分辨力论文;
