基于正弦相位调制的光纤干涉位移测量系统研究

针对全光纤干涉仪工作距离短、测量范围小等问题，提出了一种基于正弦相位调制的全光纤干涉系统，在参考臂通过电光调制器引入的调制参考光，与探头接收到的目标反射光产生干涉。根据锁相放大原理从干涉信号中提取出正交分量后，首先建立由正交分量构成的观测模型，通过卡尔曼滤波对正交分量的幅值和偏置进行迭代估计和修正，降低由相位延迟、调制深度漂移、寄生干扰等导致的幅值漂移和附加偏置；然后利用反正切法对反射光与参考光之间的相位差进行解调。开展了模拟干涉信号的相位解算仿真模拟和位移测量实验。仿真和实验验证了该算法解算相位的有效性。结果表明，该位移测量系统的工作距离可达到20 cm，测量精度为10 nm。     

一种新型的全光纤速度干涉仪实验研究

全光纤可测量任意反射面的速度干涉仪,对强动载下的界面运动速度测量具有重要意义.基于传统光纤速度干涉仪的特点,设计了一种新型全光纤速度测量系统.该系统不仅能消除延迟线圈的分布式相位调制噪声,还能得到高条纹对比度的干涉信号.采用偏振分束器替代耦合器,应用琼斯矩阵法分析推导了偏振分束器能够消除系统中的非相干光束原理.振动台表面速度测量的实验结果表明,该系统能得到89.1％条纹对比度的干涉信号,大幅提高系统信号噪声比,并且相比Levin结构的传统干涉仪能抑制延迟光纤线圈的相位噪声超过30 dB.     

干涉测距系统中的光程定位

提出一个由定位干涉仪和测量干涉仪两部分组成的光纤干涉距离测量系统,并采用标准长度光纤实现量程倍增以增大测量范围。文中重点讨论了用准单色光源脉冲电流调制干涉实现光程定位的方法及其精度,通过理论分析和仿真实验可知,定位重复性误差优于±1μm.     

误差补偿技术在相位偏移干涉测量中的应用

在研究泰曼—格林相位偏移干涉仪测量原理基础上，分析了位移驱动器移相误差对五幅移相计算结果的影响，一阶线性误差和二阶非线性误差是相位偏移干涉测量技术中产生相位误差的主要因素；提出了五幅算法移相误差补偿技术，该方法直接从相位偏移干涉图中计算移相过程中存在的一阶及二阶移相误差，对五幅算法结果进行误差修正；采用玻璃平晶为测试对象，建立了泰曼一格林干涉仪移相误差补偿原理试验系统。试验结果表明在同时存在一阶移相误差及二阶移相误差情况下，采用提出的移相误差补偿方法可以将位移测量精度提高6倍，相当于采用氦氖激光器的倍程干涉仪中位移精度达到1．0nm。     

激光合成波长纳米位移测量干涉仪的研制

正本文采用合成波长干涉条纹细分原理,提出激光合成波长纳米位移测量干涉仪的研制,以检测参考镜毫米或微米级的位移来表征测量镜纳米级的微小位移,并利用单波长干涉信号作为标记参考信号,在同一干涉仪中实现了毫米量程测量范围和纳米级精度位移的同时测量,且具有米溯源性。详细研究了激光合成波长干涉实现大范围纳米位移测量的方法及其仪器化的相关技术,主要研究工作和创新点如下。     

基于相控外差干涉技术的纳米定位方法的研究

针对工业领域和计量界对定位精度要求的提高,提出了一种基于迈克尔逊干涉仪反向特性的定位控制方法。该方法采用相位锁定控制和外差干涉技术来完成位置测量和控制。在严格控制实验环境条件下,得到了步距值为5 nm的双向步进位移。步距值的不确定度为8×10-9 nm,位移重复性误差小于1 nm。该定位方法的测量尺寸可直接溯源至长度标准,并且采用光电步进相移法可克服压电陶瓷的非线性和蠕变的机械缺陷。该方法在系统环境控制条件下适用于毫米行程位移,可应用于纳米计量和超精密加工等领域。     

基于全保偏光纤结构的高稳定性激光相位解调系统

为了实现对激光器相位的准确测量,提出一种基于保偏3×3光纤耦合器的激光器相位解调测量系统。将3×3保偏光纤耦合器的两路输出信号进行光电转换,并利用微分交叉乘法进行相位解调计算,得出相位信息。采用保偏3×3光纤耦合器及保偏延时光纤结构,可省去法拉第旋光器,简化相位解调测量系统结构,并提高外界环境参数波动所导致的测量系统信号的解调稳定性。仿真结果表明:在考虑随机噪声影响时(噪声标准差为0.1),对不含有噪声和含有噪声的相位信号进行解调,两种情况下的解调结果与预设给定值的吻合度较高;前者估计误差为±0.3rad,后者估计误差为-0.3～0.45rad。最后,对这种方法进行了实验验证,实验结果表明:相位解调的实验结果与仿真结果相符,二者的相位波动的功率谱密度吻合度高,相关系数为0.98;10组重复实验结果与仿真结果的相关系数皆在0.98以上;随机两两组合10对实验结果之间的相关系数均在0.99以上,满足测量系统的稳定可靠的要求。     

一种波长调制干涉仪光强实时反馈控制系统

提出了一种实时反馈控制系统,保证波长调制干涉仪的激光光强在波长调谐过程中的稳定性,以减小波长调制干涉仪因激光光强的波动产生的相位误差。该控制系统由光电探测器、数据采集卡、光电调幅器和控制软件等组成。实验结果表明,该系统的响应速度超过了干涉仪获取干涉图的速度,不仅能够稳定输出理想的光强值,而且还提高了干涉仪的测量精度。     

基于阶跃激励的FM信号源调制特性评价

本文目的是评价FM信号源的外调制特性,提出了FM信号源调制传递函数的概念及其测量方法,基于阶跃响应方式,用方波调制处于外调制状态下的FM信号源,以数字存储球波器对FM信号及其外调制信号进行同步测量,用数字化解调方法解调出FM信号中的阶跃调制波形,最终获得了FM信号源的调制传递函数和频率特性的测量结果.一组实验结果验证了本文方法的正确性和可行性,该方法可用于FM信号源外调制传递函数和频率特性的测量评价.     

双频激光合成波长干涉仪的精确定位方法研究

本文构筑了一种在同一干涉仪中可同时实现大范围和高精度纳米测量的双频激光合成波长干涉仪;针对该干涉仪的光路结构特点,提出一种新的粗精定位相结合的干涉信号同相位检测方法,实现了对不同频率干涉信号的同相位检测;实验测量结果表明该定位方法能够实现0.41nm的定位精度.     

基于LabVIEW的PGC零差检测技术研究

相位生成载波(PGC)调制和解调技术是干涉型光纤传感器领域非常重要的信号处理技术。简要说明了相位生成载波的调制和解调原理,结合具体的公式推导过程对PGC-DCM解调算法和PGC-Arctan解调算法进行了详细的理论分析。利用LabVIEW软件编写了两种PGC解调过程的仿真程序,实现了对被测信号的解调。对比分析了两种解调结果,对PGC解调中的一些关键参数进行了讨论。该研究结果对于光纤干涉传感器的相位解调技术的改进具有参考价值。     

Subnanometric calibration of a differential interferometer

A novel self-calibration method is proposed for calibrating differential interferometers with subnanometer resolution, and the basic characteristics of the method are discussed. Analysis shows that without using any external reference, the calibration accuracy approaches the resolution limit of the interferometer, which is determined by the signal-to-noise ratio (SNR) and the stability of the measurement system. A compact differential interferometer that uses a laser diode as the light source has been developed in order to demonstrate the viability of the proposed calibration method. The conventional fringe-counting and phase modulation methods are combined in order to extend the measurement range and improve the resolution of the interferometer. The developed interferometer was calibrated using the new method, and the calibration results were compared to those obtained by a comparison calibration method that uses a capacitance displacement sensor as the reference.     

光纤F-P微位移测量实验研究

利用光纤自聚焦透镜作为F-P干涉仪的反射面,根据F-P干涉光谱相邻波峰之间的波长差与其干涉腔长之间的关系,实现微位移的测量。克服了光强型F-P传感器测量结果受光源波动影响、难以识别位移方向等缺点,可直接测量绝对位移,并可识别位移方向。经实验得到其位移测量误差小于2.5nm。     

Real-time displacement measurements with a Fabry-Perot cavity and a diode laser

We present the basic operating principles of a traceable measurement system suitable for use with atomic force microscopes (AFMs) and nanometer-resolution displacement sensors. Our method is based upon a tunable external-cavity diode laser system which is servo-locked via a phase-modulated heterodyne locking technique to a Fabry-Perot interferometer cavity. We discuss mechanical considerations for the use of this cavity as a displacement metrology system and we describe methods for making real-time (sub 10 ms sampling period) measurements of the optical heterodyne signals. Our interferometer system produces a root-mean-squared (RMS) displacement measurement resolution of 20 pm. Two applications of the system are described. First, the system was used to examine known optical mixing errors in a heterodyne Michelson interferometer. Second, the Fabry-Perot interferometer was integrated into the Z axis of a commercial AFM scanning stage and used to produce interferometer-based images of a 17 nm step height specimen. We also demonstrate atomic resolution interferometer-based images of a 0.3 nm silicon single atomic step-terrace specimen.     

基于傅里叶变换相位提取法的激光回馈应力测量系统

高端玻璃的内部应力精确测量关系其所在系统的安全性和可靠性。本文提出一种基于激光回馈效应的应力测量方法,激光回馈系统由激光器和外部反射镜构成,待测样品放置在回馈外腔中,通过回馈光对激光器内部增益调制产生的偏振跳变现象提取双折射信息,进而获得应力。首先,从理论上分析了回馈系统中激光器输出的正交偏振模式相位与外腔应力双折射的关系;接着,通过傅里叶变换的方式得到双折射外腔激光回馈系统光强调谐曲线的相位信息;然后,采用标准四分之一波片对系统和算法的精度进行了测试。最后,采用激光回馈系统对不同的飞机座舱有机玻璃样品内应力进行了测量,并给出测量结果。实验结果表明:该系统对应力的条纹数测量精度优于8.3×10-4,满足高端玻璃的应力检测需求。     

全相位谱分析在自混合干涉位移测量中的应用

提出基于全相位谱分析的自混合干涉信号处理方法,用于减小激光自混合干涉位移测量的误差。首先,基于三镜法布里-珀罗腔模型介绍了自混合干涉系统的数学模型,分析了自混合干涉信号的产生机理和特性。然后,研究了弱反馈条件下自混合干涉位移测量方法,采用全相位谱分析算法进行相位测量,重构外部反射体位移曲线;讨论了信号处理算法原理并进行了算法仿真。最后,进行自混合干涉位移测量实验,并给出压电陶瓷位移测量实验结果。结果表明,全相位谱分析算法可将自混合干涉位移测量误差减小到4.4nm;应用全相位谱分析算法分析自混合干涉信号,可在不增加外部光学元件的前提下将位移测量误差减小到纳米量级。     

超精密外差利特罗式光栅干涉仪位移测量系统

开展了扫描干涉光刻机工作台超精密位移测量的实验研究,以提高扫描干涉光刻机的环境鲁棒性。针对扫描干涉光刻机工作台位移测量精度,提出了新型高环境鲁棒性外差利特罗式光栅干涉仪测量系统。介绍了系统测量原理,设计了测量系统,提出了基于Elden公式的系统死程误差建模方法。设计制造了尺寸仅为48mm×48mm×18mm的光栅干涉仪。基于误差模型计算了死程误差,计算结果表明:对于1.52mm死程的光栅干涉仪,宽松的环境波动指标(温度波动为0.01℃、压力梯度为±7.5Pa、相对湿度波动为1.5%、CO2含量波动为±50×10-6)仅引起±0.05nm的死程误差。最后,设计了基于商用双频激光平面镜干涉仪的测量比对系统,开展了光栅干涉仪原理验证实验和测并量稳定性实验。原理验证实验表明:光栅干涉仪原理正确且系统分辨率达0.41nm。测量稳定性实验表明:常规实验室环境下,环境波动引起的死程误差为7.59nm(3σ)@0.9Hz1~10Hz,优于同等环境条件下平面镜干涉仪的31.11nm(3σ)@0.9Hz1~10Hz。实验结果显示系统具有很高的环境鲁棒性。     

Phase-measuring algorithm to suppress inner reflection of transparent parallel plate in wavelength tuning Fizeau interferometer

Optical thickness variation is a fundamental characteristic of transparent optical devices. When measuring this variation by using a wavelength-tuning Fizeau interferometer, the measurement accuracy depends on the phase-shifting algorithm being used. Therefore, the phase-shifting algorithm should compensate for any errors incurred during the measurement, including the phase-shift error, coupling errors, and bias modulation of intensity. Among these errors, however, the coupling errors between the higher harmonics resulting from the inner reflections of the transparent plate and phase-shift error have not previously been considered. This paper presents a derivation of a 19-sample phase-shifting algorithm that can compensate for the miscalibration and 1st-order nonlinearity of the phase shift, coupling errors, and bias modulation of intensity during wavelength tuning. The characteristics of the 19-sample algorithm were estimated with respect to the Fourier representation in the frequency domain. The phase error of measurements performed using the 19-sample algorithm was discussed and compared with that of measurements obtained using other conventional phase-shifting algorithms. Finally, the optical thickness variation of a fused silica parallel plate was obtained using a wavelength-tuning Fizeau interferometer and the 19-sample algorithm. The measurement accuracy was discussed by comparing the ripples in the crosstalk noise with those calculated using other phase-shifting algorithms. The experimental results indicated that the optical thickness variation measurement accuracy for the fused silica plate was approximately 2 nm.     

双球面法标定立式参考球面的精度分析

采用双球面法对立式Fizeau干涉仪的参考球面进行标定以确定由重力、安装夹持力等导致的面形形变量,提高立式光学系统中光学元件的面形检测精度.首先,推导了双球面法标定算法;进而,理论分析和模拟计算了影响检测精度的环境、重力、安装夹持力等因素;最后,利用双球面法对立式Fizeau干涉仪的参考球面进行标定,并利用误差合成理论分析实验结果.实验结果显示,利用双球面法标定F/1.5的立式Fizeau干涉仪参考面的精度为2.3 nm.其中,算法本身以及实验操作引起的测量重复性不大于0.7 nm,包含环境误差时的重复性低于1.2 nm;重力导致的面形形变约为0.9 nm,标准镜安装导致的面形形变约为1.7 nm.结果论证了双球面法具有很高的标定精度;环境对检测精度的影响与干涉腔长度有关,长度增加时影响很明显;立式工作时,重力、安装等因素导致的标准镜参考球面的面形形变很大,在高精度使用前必须进行标定.