声光调制技术及其在测量中的应用研究----祝欣

编号本科生毕业论文声光调制技术及其在测量中的应用研究题目要和开题时一致Acousticopticmodulationtechnologyanditsapplicationinmeasurement学生姓名祝欣专业电子科学与技术学号120131117指导教师宋贵才学院理学院二0一六年六月毕业设计（论文）原创承诺书1．本人承诺：所呈交的毕业设计（论文）《》，是认真学习理解学校的《长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例》后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2．本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。3．在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。4．本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担！作者签名：年月日长春理工大学本科毕业论文I摘要声光效应是指当光通过超声波扰动的介质时所发生的衍射现象。声光调制技术是以声光效应为理论基础的外调制技术。近年来，随着激光技术的发展，声光调制技术越来越广泛的应用于各领域之中。本文第1章为绪论部分，首先介绍本课题研究的背景以及国内外发展现状，其次介绍本课题研究的目的和意义，最后介绍本课题研究的主要内容。第2章为原理部分，主要介绍声光调制技术的原理，其中包括布拉格衍射和拉曼-奈斯衍射两个部分。随后介绍目前工程中应用最多的声光调制器件，即声光调制器，并着重分析了声光调制器的调制带宽和衍射效率。第三章主要介绍声光调制技术在测量中的应用研究，主要包括其在轮廓检测和激光测量两个方面的应用，其中特殊分析了该技术在工件表面粗糙度测量以及位移激光测量方面的研究。最后简单介绍了声光调制技术在测量频率，折射率，波长等方面的应用。本文最后为总结部分，主要论述该技术的优缺点以及在应用方面的空白。关键词：声光调制激光测量调制带宽摘要要体现题目研究的内容即体现声光调制技术在光通信中的应用长春理工大学本科毕业论文IIAbstractTheeffectofsoundandlightisthediffractionphenomenonthatoccurswhenthelightthroughthemediumdisturbedbytheultrasonicwave.Acousticopticmodulationtechnologyisanexternalmodulationtechnologybasedonthetheoryofsoundandlighteffects.Inrecentyears,withthedevelopmentoflasertechnology,acousticopticmodulationtechnologyismoreandmorewidelyusedinvariousfields.Thefirstchapteristheintroductionpart.First,itintroducesthebackgroundofthisresearchandthedevelopmentstatusathomeandabroad,thenintroducesthepurposeandsignificanceofthisresearch,andfinallyintroducesthemaincontentofthisresearch.Chapter2istheprinciplepart,mainlyintroducetheprincipleofacousto-opticmodulationtechnology,whichincludestwoparts,theBraggdiffractionandRamanNathdiffraction.Then,themostwidelyusedacousticopticmodulatorisintroduced,andthemodulationbandwidthanddiffractionefficiencyofthemodulatorareanalyzed.Thethirdchaptermainlyintroducestheapplicationofacousto-opticmodulationtechnologyinthemeasurement,includingitsapplicationintwoaspectsofcontourdetectionandlasermeasurement.Theapplicationofthistechnologyintheworkpiecesurfaceroughnessmeasurementanddisplacementandstraightnessmeasurementbylaserisanalyzedspecially.Finally,itbrieflyintroducestheapplicationofacousticopticmodulationtechnologyinthemeasurementoffrequency,refractiveindex,wavelengthandsoon.Thelastpartofthispapersummarizestheadvantagesanddisadvantagesofthetechnologyandtheblankinapplication.Keywords:acousticoopticmodulation；measurementbylaser；modulationbandwidth长春理工大学本科毕业论文III题目：声光调制技术及其在测量中的应用研究目录长春理工大学本科毕业论文1第1章绪论自声光调制技术问世以来，世界各国已经陆续开展了对该技术及其应用的研究。在此背景下，本章将着重介绍声光调制技术的国内外发展现状、声光调制技术的发展趋势、本课题研究的目的和意义、以及研究的内容。1.1本课题研究的背景当光通过受超声波扰动的介质时会发生衍射现象，我们把这种衍射现象称之为声光效应。早在1922年，L.N布里渊就在理论上预言了声光衍射的存在。1932年，P.J.W德拜和F.W.席尔斯以及R.卢卡斯和P.比夸特分别观察到了声光衍射现象。但由于当时科研发展水平有限，声光效应并不被大多数物理学家所看好。直至60年代激光器的问世，人们得到了单色性好、亮度高、相干性好、方向性好的激光，声光效应理论才得到迅猛发展。以声光效应为理论基础，形成了声光调制技术，并随即制成了声光器件。通过使用声光器件，我们可以对激光的方向，强度，频率等性能进行有效的调制，还可以实现电光信号之间的转换以及对光束的自动选频、分光、扫描等。随着新材料的出现和换能器制作工艺的发展，声光器件的性能得以大幅提高。其体积小、重量轻、驱动功率低、衍射效率高、调制度深、稳定性好、时间带宽积高、易于兼容和控制，是一种理想的光电子器件。这些优良的性能使声光器件的应用越来越广。如声光调制器、声光偏转器、可调谐滤光器、声光频谱分析器等在光通讯、光信号处理、激光打印、精密测量等方面有着十分重要的作用。1.2声光调制技术的发展现状1.2.1声光调制技术的国外发展现状声光技术是一门涉及到声学、光子学、电子学、材料学等学科领域的边缘科学和实用技术。早在上个世纪三十年代，人们就在各向同性晶体中发现了声光相互作用现象。但由于声光效应比较微弱，其产生的偏转角和频移很小，对于非相干光来说应用价值很小。60年代初激光器的问世，使声光技术得以快速发展。由于激光具有很好的相干性和方向性，激光光束能量可以聚焦成衍射限很小的光斑，因此利用声光相互作用可以有效的控制光束的频率，方向和强度，大力的扩展了激光的使用范围，相应的推动了声光器件的发展。1976年张以拯建立了声光互作用的统一理论，从而使人们对声光互作用有了更进一步的了解。从60年代到70年代，在这一时期里，各种声光器件的工作原理，器件结构等大致相同。只要在设计方案上略加改变，声光器件就可以适用各种要求。60年代末物理学家提出了集成光学的概念，即将功能各异的光学器件集成到同一个衬底上，以便于实现光学系统的集成化，小型化，同时增强光学系统传递和处理信息的能力。于此同时，人们研制出了用于制作声表面波器件的叉指换能器，促长春理工大学本科毕业论文2进了声表面波技术的崛起。进入70年代后，由于声表面波技术和光波导技术的日益成熟以及光电集成技术的兴起，表面波型声光器件在性能上慢慢超过了传统的体声波器件。由于表面声波和导波光被限制在一个很薄的薄层内，能量十分集中，制作激发表面声波的叉指换能器的制作工艺又比较灵活，因此，表面波声光器件只需要很小的驱动功率。除此之外，表面波声光器件还具有能耗低、寿命长、稳定性好、便于集成等优良性能。这使表面波声光器件在光信息处理、光通信、光计算等领域具有广泛的应用。于此同时，一大批优质声光材料的诞生使声光器件的性能得到很大的提高。例如，钼酸铅和氧化碲等在可见光和近红外波段声光优值较高，而单晶锗和单晶碲在远红外波段其声光优值较高。在高频波段范围内，铌酸锂晶体的声光优值高。真正做到了不同的波段可以有不同的材料可以采用。声光器件本身已达到系列化生产。从60年代以来，人们先后研制出了声光调制器、声光偏转器、声光滤波器等应用型器件。声光器件在激光打印、激光定位、激光测量等方面得到很好地应用。声光器件也具备了其他光电子器件所不能比拟的优势，并开启了许多只有声光器件才能完成的应用。1979年，CHENS.TSAI发表论文，提出了一种利用声表面波驱动的波导型声光布拉格调制器，并对波导型声光调制器做出了详细的理论分析，同时将声光调制器应用于光通信和信号处理。后续的诸多工作都是基于这项研究基础上的，例如1997年东京大学ChristopheGorecki首次提出了一种Mach-Zehnder声光调制器，开创了将Mach-Zehnder光波导应用于声光调制器的先河，以及后续的LimaJr,MariaBayardDuhring等人对MZ声光调制器的完善和发展。在测量方面，2002年，美国物理研究所通过创建一个可变长度的声学腔，测量模光纤中最低阶弯曲声波的波长。他们借助光纤的纤芯和包层之间的声光耦合，探测声驻波振幅，再通过监测核心模式的透射率与腔长度的调制周期，便可以精准测量声波波长。1.2.2声光调制技术的国内发展现状目前，由于科研水平有限，制作工艺不灵活等原因，我国关于波导型声光调制器的研究起步很晚。我国最早出现的关于声光理论的著作是由徐介平编写的《声光器件的原理，设计和应用》。该书详细的介绍了声光效应，声光调制的基本理论。除此之外，北京工业大学的俞宽新教授和天津大学的宁继平教授也致力于声光调制的研究。其中，宁继平教授在布拉格型波导声光调制器的研究中取得了显著地成果，在国内外知名的学术期刊上发表了多篇论文。而俞宽新教授则将声光技术应用于光信号处理，光通信等领域。目前，在应用实例方面，我国已经取得了显著的成果。长春理工大学本科毕业论文3山东理工大学的杜召杰和王辉林教授为了实现主轴振动位移的实时在线、非接触测量，同时达到高精度、高分辨力的目的，提出了基于光纤声光调制检测振动位移的技术。应用差动激光多普勒原理，实现了微小位移的纳米级测量；利用光纤声光调制技术，频率稳定性好，提高了测量分辨力，并且实现了远距离传输；采用正交差动测量光束，消除了共模干扰，实现了二维平面内的准确测量[1]。此外，山东理工大学的刘春晖教授建立了基于激光多普勒效应测量表面粗糙的数学模型。该模型中利用激光多普勒原理实现对纳米级微小位移的测量；采用声光调制的方法降低了系统噪声，提