【摘 要】
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调频连续波（Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW）激光干涉仪是利用FMCW激光干涉原理对一些物理量进行高精度测量的光学仪器。因FMCW激光干涉产生的是动态信号,可实时标定相位,所以它具有抗干扰能力强、测量精度高的优点,可应用于航空航天、军事装备以及集成电路制造等领域。针对FMCW干涉测量系统中半导体激光光源存在波长漂移的问题,本文重点从影响激光器波长稳定
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调频连续波（Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW）激光干涉仪是利用FMCW激光干涉原理对一些物理量进行高精度测量的光学仪器。因FMCW激光干涉产生的是动态信号,可实时标定相位,所以它具有抗干扰能力强、测量精度高的优点,可应用于航空航天、军事装备以及集成电路制造等领域。针对FMCW干涉测量系统中半导体激光光源存在波长漂移的问题,本文重点从影响激光器波长稳定的因素和测量FMCW干涉仪激光中心波长稳定性两个方面展开研究。分析并测量了影响分布式反馈（Distributed Feedback,DFB）激光器波长稳定的主要因素:驱动电流和工作温度。通过激光驱动与温控检测电路模块实现激光器电流和温度的稳定。实验测得,波长-电流变化系数为0.01nm/m A,波长-温度变化系数为0.22nm/℃。激光器电流稳定性为0.15%,温度稳定性为0.79%。结果表明,控温条件下的激光器具有良好的电流稳定性和温度稳定性。提出了一种基于固定干涉腔的FMCW激光波长漂移量测量方法。首先分析了FMCW激光干涉测量理论,选用光纤法布里-珀罗（Fabry-Perot,F-P）干涉仪光路结构。在此基础上推导了激光波长漂移量的测量公式,得出在F-P腔腔长恒定条件下,初相位变化量-位移-激光波长漂移量之间存在线性关系;其次设计并制作了F-P固定腔,选用低热膨胀系数的石英玻璃来减小环境温度波动对F-P腔的影响;然后设计并制作硬件电路,包括电源与STM32F4最小系统模块、激光驱动与温控检测模块、光电探测与信号转换模块以及串口通信模块;最后编写波长漂移量解调算法,并采用Py Qt5设计上位机显示界面。通过搭建波长稳定性测量系统进行实验验证。实验结果表明,在F-P腔腔长恒定的前提下,干涉仪“形式”位移量为8nm/℃,对应的相位变化量为0.06rad/℃,波长漂移量为0.096pm/℃,波长稳定性为0.06ppm/℃。该测量方法具有操作简便、实时、快速和高分辨率的优点。对提高FMCW干涉测量精度具有重要意义。
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