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结论。
7、正文 学位论文的主体，要求文科博士学位论文一般不低于6万字，理科博士学位论文一般不低于4万字（含艺术类、体育类专业）；文科硕士学位论文一般不低于3万字，理科硕士学位论文一般不低于2万字（含艺术类、体育类专业）。
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电子版。
研究生部学位与培养办公室
二00四年十月十八日
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索取号： 密级：
宋体四号 博 士 学 位 论 文
黑体小一号加粗居中 黑体小一号加粗居中 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 指导教师 培养单位 一级学科 二级学科 完成时间 答辩时间
郭冬梅 王鸣 教授 物理科学与技术学院 电子科学与技术 物理电子学 2007年3月10日 2007年5月25日
宋体四号加粗
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博士学位论文 物理电子学 郭冬梅 南京师范大学 2
宋体二号加粗，段前学位论文独创性声明 段后0行，单倍行距 宋体小四号加粗，段本人郑重声明：所提交的学位是本人在导师指导下进行的研究工前段后0行，行距28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。
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摘要 宋体五号居中 摘 要 黑体三号加粗居中，单倍行距，段前段后1行 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„„宋体小四号加粗，行距20磅，段前段后0行 宋体小四号，行距20磅，段前段后0行 宋体小四号，行距20磅，段前段后0行 I
Abstract
Abstract
When a portion of light emitted from a laser source is reflected or scattered back into the laser cavity by an external target, the reflected light will mix with the light inside the cavity, causing a modulation of the laser output power. This phenomenon is called as self-mixing interference (SMI) , in which the reflected light carries some information of the external target. The self-mixing interference comes from the optical feedback effect. People always tried to eliminate the optical feedback effect previously. Gradually people began to make use of it actively to measure some physical quantities, thus self-mixing interference technology was brought forth.
In order to improve the displacement measurement accuracy of the self-mixing interference, high accuracy phase measurement method is introduced into the SMI system. ………… „„ „„
Key words: Self-mixing interference, Phase modulation, Electro-optic modulator
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目录
目录
摘 要 ................................................................. I Abstract .............................................................. II 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 A ................................................................. 6 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
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第1章 绪论
第1章 绪论 黑体小三号加粗居中，单倍行距，段前段后1行 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。 „„ „„ „„
黑体四号顶左，单倍行距，段前段后0.5行 宋体小四号，两端对齐，段落首行左缩进2个汉字符，行距20磅 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-mixing interference）。
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。 „„ „„ „„
黑体小四号顶左，单倍行距，段前段后0.5行 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
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第1章 绪论
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。 „„ „„ „„
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第2章 激光自混合干涉效应基本理论及实验研究
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
M1 M2 M3lL宋体五号居中，单倍行距，段前0.5行，段后1行 PD Laser cavity External cavity图2.1 实验装置示意图 自混合干涉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。
…… …… ……
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第2章 激光自混合干涉效应基本理论及实验研究
2.2 激光自混合干涉现象定量观察
2.2.1 实验装置
LD Package PD LD 准直透镜 衰减器 PZT 电流电压转换 PZT控制模块 放大 示波器 RS232
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
(a) (b) (c)
振动幅度（p-p）（μm）
0.7μm 1.3μm 2μm
理论计算的条纹数
2.2 4.1 6.3
宋体五号居中，单倍行距，段前1行，段后0.5行 4
第6章 结论
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。
…… …… ……
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附录
附录 A
表A1 ELD63NT15型LD电气参数
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参考文献
参考文献
宋体小四号（英文用Times New Roman体小四号），行距20磅，段前段后0行 [1] M. Fujiwara, K. Kubota and R. Long. Low-frequency intensity fluctuation in laser diode with external optical feedback. Appl. Phys. Lett. , 1981,38(4): 217-220
[2] H. Yasaka, Y. Yoshikuni, H. Kawaguchi. FM noise and spectral line width
reduction by incoherent optical negative feedback. IEEE. J. Q. E., 1991, 27(2):193-204
[3] L. Goldberg. Spectral characteristics of semiconductor laser with optical feedback.
IEEE J. Q. E., 1982,18(6): 555-563
[4] T. Chartier, B. Mezine, F. Sanchez, et al. Optical feedback effects in Nd-doped
fiber lasers with broadband spectra. Appl. Opt., 1996,35(12): 2016-2022
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宋体小四号（英文用在读期间发表的学术论文及研究成果
Times New Roman体小四号），行距20磅，段前段后0行 1. D. Guo, M. Wang and S. Tan, Self-mixing interferometer based on sinusoidal phase modulating technique. Optics Express，2005, 13(5): 1537-1543 (SCI&EI) 2. D. Guo and M. Wang, Self-mixing interferometer based on temporal-carrier
phase-shifting technique for micro-displacement reconstruction. Optics Communications，2006，263(1): 91-97 (SCI&EI)
3. D.Guo and M.Wang, Self-mixing interferometry based on a double modulation
technique for absolute distance measurement. 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)
5. D. Guo and M. Wang, A new self-mixing interferometer for micro-displacement
reconstruction. Proc. of SPIE , 2006, 6341: 634123 (EI)
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致 谢
衷心感谢我的导师„„„„
宋体小四号，行距20磅，段前段后0行 9
附：学位论文封面样页（论文一律用A4纸打印）
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论文题目
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育 硕 士 专 业 学 位 论
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教 文
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在 职 人 员 以 同 等 学 力 申硕 士 学 位 论 文
论 文 题 目
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高 校“两 课”教 师 在 职 攻 读
硕 士 学 位 论 文
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