MEMS掃描大口徑紅外激光外差干涉儀關(guān)鍵技術(shù)與實驗研究.pdf

1、紅外光學(xué)材料是現(xiàn)代光電子武器裝備中光學(xué)窗口和整流罩(口徑多為幾百毫米)的首選材料,同時它還在小型激光器、工業(yè)用大功率激光器窗口、紅外相機或熱像儀、大型紅外光學(xué)系統(tǒng)、半導(dǎo)體硅片等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。為了提高紅外光學(xué)材料的光學(xué)特性,往往需要蒸鍍增透、增反和保護等各種膜系。在鍍膜過程中,由于加熱和等離子體濺射,有時會使冷加工后的紅外光學(xué)材料的光學(xué)均勻性發(fā)生微觀變化,但這也足以影響紅外光學(xué)系統(tǒng)原始設(shè)計的整體性能指標(biāo)。目前廣泛使用的激光外差干涉

2、儀基本上是反射式的,且大多處于可見光波段,無法利用透射方式直接精密測量紅外光學(xué)材料內(nèi)部微觀變化參數(shù)如光學(xué)厚度、內(nèi)應(yīng)力等,這一直是影響紅外薄膜光學(xué)發(fā)展的科學(xué)難題之一。
　　為此,論文圍繞大口徑紅外激光外差干涉儀所涉及的科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù),理論上討論了紅外激光外差干涉儀相位非線性和雙平衡式激光外差探測等問題,技術(shù)上解決了大口徑 MEMS/F-Theta透鏡掃描光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)、高速信號實時采集與處理、高精度波前相位差提取算法等關(guān)鍵技

3、術(shù),最后系統(tǒng)集成一套大口徑MEMS掃描紅外激光外差干涉儀實驗系統(tǒng),并進行了實驗驗證。論文的主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　第一,理論研究了激光外差干涉儀相位非線性效應(yīng)的產(chǎn)生機理。通過引入一階相位非線性因子和二階相位非線性因子,分析了由橢圓率因子、光束錯位角、偏振分束棱鏡錯位角以及偏振分束棱鏡中的消光比所產(chǎn)生的相位非線性效應(yīng)。推導(dǎo)了包括光纖在內(nèi)的整個外差系統(tǒng)的光學(xué)瓊斯矩陣,并依次分析了由光纖彎曲、λ/2波片方位角錯位、偏振分束棱

4、鏡方位角偏移、分束棱鏡的內(nèi)部缺陷等因素產(chǎn)生的相位非線性效應(yīng)。最后通過實驗測量了外力彎曲和溫度起伏所產(chǎn)生相位非線性變化規(guī)律。
　　第二,實驗研究了MEMS振鏡的二維掃描規(guī)律和特性。根據(jù) MEMS振鏡的掃描參數(shù)、系統(tǒng)激光器的參數(shù)、以及待測物的外型尺寸等參數(shù)設(shè)計了φ300mm三片式 F-Theta透鏡組。實驗結(jié)果表明,當(dāng)激光外差干涉儀處于二維掃描模式時,采用F-Theta透鏡組和MEMS振鏡組合實現(xiàn)了對待測物的掃描測量,達到了預(yù)期的設(shè)計

5、效果。最后還研究并分析了當(dāng)混合掃描機構(gòu)處于一維和二維模式下,該混合掃描機構(gòu)對掃描光束光強的調(diào)制關(guān)系。
　　第三,建立了雙平衡式激光外差探測系統(tǒng)的完整信噪比數(shù)學(xué)模型。首先分析了雙平衡式探測系統(tǒng)的原理模型。接著推導(dǎo)并研究了該探測系統(tǒng)的信噪比數(shù)學(xué)模型并仿真了整個信號探測的過程。再次討論了在平衡式外差探測系統(tǒng)過程中散粒噪聲、強度過剩噪聲以及熱噪聲對系統(tǒng)信噪比的影響。最后利用實驗驗證了平衡式外差探測系統(tǒng)的可行性和優(yōu)勢,從信號探測和接收上為干

6、涉系統(tǒng)獲取高信噪比的中頻信號奠定了理論基礎(chǔ)。
　　第四,分析比較了IQ正交解調(diào)法、FFT變換法、最小二乘法三種算法的優(yōu)缺點。在考慮中頻信號頻率、待測信號信噪比、采樣深度、濾波器截止頻率、濾波器階數(shù)等多方面因素條件下,通過仿真進行優(yōu)化,兼顧相位差提取精度和易實現(xiàn)等要求,將最小二乘法應(yīng)用于MEMS掃描紅外激光外差干涉儀系統(tǒng)中。
　　第五,進行大口徑MEMS掃描紅外激光外差干涉儀系統(tǒng)集成與實驗。利用該系統(tǒng)對P-V值為λ/10的待測