电光调制双零差干涉纳米位移测量技术研究

发布时间：2020-06-14 02:30

【摘要】：随着超精密、集成电路、MEMS等加工制造技术的深入发展,对位移测量技术带来了更大的挑战。而在众多的位移测量技术中,激光干涉位移测量技术由于具有测量精度高、范围大和米溯源性等优点而被广泛应用,其中典型的激光干涉测量技术包括激光单频(零差)干涉法和激光双频(外差)干涉法。零差干涉法相较于外差干涉法不存在光源非正交及椭偏化引起的偏振和频率混叠,且结构简单、测量精度高,成为目前的研究热点。但是零差干涉法中干涉信号的直流漂移、幅值变化和相位非正交引起的测量误差制约了其测量精度的提高。为了解决上述零差干涉法中存在的问题,进一步提高零差干涉位移测量精度,本文提出了一种基于电光相位调制器的双零差干涉纳米位移测量技术,进行大范围、高精度的位移测量。首先详细推导了电光相位调制双零差干涉纳米位移测量原理,设计了系统的光路结构,将位移测量变换为两套干涉仪的相位差测量。分别提出了基于线性相位调制的时域过零鉴相相位差测量方法和基于正弦加三角波复合相位调制的反正切相位生成载波(PGC-Arctan)解调方法。在线性相位调制双零差干涉仪的信号处理系统中,设计了零相位滤波器对干涉信号进行预处理,以及基于LabVIEW的相位差检测上位机处理程序。在正弦加三角波复合相位调制双零差干涉仪的信号处理系统中,设计了基于FPGA+ARM的PGC-Arctan的相位解调系统,并利用椭圆拟合进行非线性误差的补偿。为了验证所提出的电光相位调制双零差干涉纳米位移测量方法的可行性,对双零差干涉系统进行搭建和调试,针对两种调制方式分别进行了相应的信号处理测试实验和位移测量实验。在线性相位调制信号处理方法中,相位差测量稳定性实验表明在6个小时内相位差每分钟变化约0.2~°,符合实验测量要求。以精密纳米定位台位置作为参考,纳米级位移测量实验的位移误差均值和标准偏差都不超过1 nm;微米级位移测量实验的位移误差均值在1 nm范围内,位移误差标准偏差在1.42 nm~3.21 nm范围内。以商业干涉仪Agilent 5519A作为参考,毫米级位移测量实验的位移误差均值在-0.046μm~0.107μm范围内,位移误差标准偏差在0.032μm~0.287μm范围内。在正弦加三角波复合相位调制信号处理方法中,椭圆拟合实验验证了所设计的基于FPGA+ARM的4参数椭圆拟合模块的有效性和准确性,椭圆拟合的实时拟合速率为12.05μs。PGC-Arctan相位解调中正交信号实时修正的必要性实验和对比实验体现了椭圆拟合修正技术对相位解调中非线性误差的补偿效果。非线性误差实验结果表明所设计的双零差干涉仪非线性误差低于0.1 nm。以商用的Renishaw XL80干涉仪作参考的毫米级步进位移测量实验结果表明:最大位移差值为-60.5 nm,标准偏差为27.4 nm。以上实验结果验证了提出的电光调制双零差干涉纳米位移测量方法的可行性和有效性。 【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN761

【图文】：

消偏振分光镜,沃拉斯顿棱镜,零差,偏振干涉

图 1.3 采用消偏振分光镜和沃拉斯顿棱镜的零差激光偏振干涉光路结构 ar T 等人提出将一种增强型的椭圆拟合算法用于双探测器的零差正交激光信号处理系统中[12]，光路结构如图 1.4 所示。

双探测器,偏振干涉仪,零差,激光

5图 1.4 采用双探测器的零差正交激光偏振干涉仪结构，将原来的四正交探测简化为正交探测，进而减少了算法，，可以拟合出两路正交干涉信号的直流偏置、交流修正，最终将非线性误差降低到 1 nm。该椭圆拟合算

【参考文献】