相移型激光自混合干涉大量程位移实时精密测量技术的研究

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在微电子、超精加工等现代工业技术领域,对精密位移测量的要求越来越高。有些应用要求测量的分辨率达到纳米量级,而且测量范围越来越大。本文主要利用相移型激光自混合干涉原理实现大量程位移实时精密测量理论及其关键技术的研究。激光自混合干涉是指激光器输出的光被外部物体反射或散射后,其中一部分光又反馈回激光器的谐振腔内,反馈光携带了外部物体的信息,与激光腔内的光相混合后,调制激光器的输出功率以及输出频率,形成自混合干涉。由于输出的光信号与传统的双光束干涉有着相似之处,故称为自混合干涉效应。激光自混合干涉是新兴起的位移精密测量的干涉技术。本文采用正弦相位调制技术与时域正交解调方法相结合,提高激光自混合干涉仪在大量程位移实时测量中速度和精度。通过在激光器外腔中放置的电光晶体调制器对光束进行正弦相位调制,采用时域正交解调方法解调干涉信号相位。同时满足了干涉仪大量程位移测量过程中的速度以及实时性要求。实验上,用PI高分辨率的商用电动位移平台标定的结果验证了该正弦相位调制激光自混合干涉仪在百mm级大尺度位移测量中可达到小于0.5μm的测量误差。对干涉仪在实时位移测量中的影响测量速度的因素进行了分析,得出了本干涉仪的测速上限。此外,通过对商用位移传感器的校准实验,说明了研制的干涉仪样机达到了实用化的水平。本文还研究了另一种激光自混合干涉仪的新测量技术。通过金属介质膜对激光强度进行衰减的同时对其反射的自混合干涉信号在电域引入π/2的相移,使自混合干涉仪工作于弱反馈条件下且产生两路正交的干涉信号用于测量,经仿真可以达到很高的测量精度。同时,为了提高干涉仪的测量精度和分辨率,对采集后的自混合干涉信号在数字域进行了细分,提高了系统的抗噪声性能和测量的可靠性。用PI精密商用电动位移平台进行了位移测量校准实验,发现在100mm的位移测量过程中可以实现小于0.4um的误差。因受制于数据采集与处理系统的采样率,理论上系统在百mm级大量程位移测量中的速度可以达到接近100mm/s。
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