高压放大器在多波长干涉相位同步解调方法研究中的应用

　　实验名称基于激光相位分立调制的多波长干涉相位同步解调方法研究

　　研究方向激光测量

　　测试目的

　　在长度测量中绝对距离测量ADM可实现高精度、大范围和瞬时距离测量与相对位移测量RDM相比不需要对干涉条纹进行连续计数即可实现精密测量广泛应用于高端装备制造、大尺寸机械零部件的检测和飞机装配等领域。多波长干涉测量法是一种最基本的也是应用最为广泛的绝对距离测量方法其中多波长对应干涉相位的精确解调是最为关键的问题之一。

　　测试设备ATA-2082高压放大器、激光器、半波片、分光镜、迈克尔逊干涉仪、测量角锥棱镜、纳米定位线性平台、非接触式电容式传感器、反射镜、光电探测器。

　　图FDM双波长干涉光路实验装置

　　实验过程

　　以FDM双波长干涉相位同步解调方法为例对其进行了仿真分析及实验验证。搭建了所提出的FDM双波长干涉测量光路进行了系统稳定性实验、纳米级位移测量实验、纳米级步进非线性误差实验、两位位移解调同步性实验、动态相位解调实验。

　　由于侧重于研究多波长干涉相位解调的性能所以采用两个自由空间的频率稳定He-Ne激光器632.991nm633.429nm主要通过纳米位移测量等实验分析相位解调的精度和非线性误差。光路中采用两个半波片HWP使激光光束的偏振方向与EOM的光轴EO-PM-NR-C1Thorlabs成45°。采用两个EOM对两束激光以不同频率进行相位调制后在分光镜BS处合光。在迈克尔逊干涉仪中测量角锥棱镜M2安装在纳米定位线性平台上。采用非接触式电容式传感器测量线性平台具有亚纳米级分辨率和±1nm的可重复性闭环行程范围和线性误差分别为15μm和0.03%。FDM干涉激光信号被反射镜R2反射后由光电探测器探测。使用定制的基于FPGA的ADC&DAC开发板进行信号处理包括生成相位调制信号获取FDM干涉信号和解调干涉相位。产生的相位调制信号由双通道高压放大器ATA-2082Aigtek放大后用来驱动电光调制器EOM。相位调制信号和低通滤波器的设置与模拟信号相同ω1=146kHzω2=195kHzωt=100HzωL=49kHz。通过调整高压放大器的放大倍数将两个EOM的正弦相位调制深度均设置为约2rad。

　　1、稳定性实验

　　为了测试FDM干涉相位同步解调系统在测量镜M2静止时环境因素对两路相位解调结果的影响对EOM施加正弦加三角波复合调制同时记录两路干涉信号解调相位的变化情况。实验结果如图2所示。

　　图2稳定性实验结果

　　从图2中可以看出在1个小时内两路相位变化约为70°每分钟约变化1.2°对于干涉信号相位解调实验一般能够在毫秒级时间内完成上述目标漂移对多波长干涉测量结果的影响可忽略不计。

　　2、步进测量实验

　　为了测试FDM双波长干涉相位同步解调系统在纳米级范围内位移测量精度。在实验开始之前先对光路进行微调以保证光电检测器能够接收到正常的干涉信号。接着调节光电检测器的增益旋钮以将位移测量信号的强度调至适当的大小。将测量镜安装在行程为15μm重复定位精度为±1nm的P-753.1CD精密线性促动器上从0开始使其以10nm的步长步进步进到1μm共100个点导轨的步进速度设置为1μm/s。PC控制软件对实验过程中的解调位移和P-753.1CD精密线性促动器的位置进行了同步记录。实验结果如图3、图4所示。

 

　　图3第一路步进实验结果

　　图4第二路步进实验结果

　　为了清晰地观察位移测量数据分别向上平移2μm。研制系统的线性位移测量数据与P-753.1CD精密线性促动器的定位数据间的最大偏差分别为1.64nm、1.61nm两者都在±2nm范围内标准偏差分别为0.81nm、0.75nm均在1nm范围之内说明FDM双波长干涉相位同步解调系统能够实现纳米级的测量精度。

　　3、非线性误差测量实验

　　为了测试FDM双波长干涉相位同步解调系统非线性误差的大小将测量镜安装在行程为15μm重复定位精度为±1nm的P-753.1CD精密线性促动器上从0开始使其以10nm的步长步进步进到3μm共300个点导轨的步进速度设置为1μm/s。每一次步进实时的导轨位置和解调位移值是被同时记录的直到测量结束两路位移解调的结果如图5、图6所示其中图5(a)、图6(a)表示系统所解调的位移测量值、精密导轨的位置以及每次步进的误差值图5(b)、图6(b)是误差值的FFT分析结果。

图5第一路非线性误差测量和FFT分析结果

 图6第二路非线性误差测量和FFT分析结果

　　由于外部环境的变化如温度、CO2浓度等此外P-753.1CD的运动方向与光束的方向也有一定的角度偏差这些都使得位移解调结果具有线性误差但不是非线性误差的范畴。所以图5和图6中表示的是去除了线性误差之后的位移误差。由于相位解调算法中的反正切操作可能会引入周期为π的非线性误差因此如果相位解调出现非线性误差则会在二次谐波分量出现一个峰值。但是在图5和图6所示位移偏差的FFT分析中二次谐波分量处两个位移偏差的非线性误差均小于0.3nm。在一阶条纹周期为2π处的0.6nm的较大非线性误差是由实验设置中PBS的偏振泄漏引入而不是由相位解调系统引起说明了FDM双波长干涉相位同步解调系统具有较小的非线性误差。

　　4、两路位移解调同步性实验

　　为了测试FDM双波长干涉相位同步解调系统中两路相位解调的一致性。将测量镜安装在行程为15μm重复定位精度为±1nm的P-753.1CD精密线性促动器上从0开始使其以10nm的步长步进步进到500nm共50个点导轨的步进速度设置为1μm/s。每一次步进实时的导轨位置和解调位移值被同时记录直到测量结束两路位移解调的结果及其差值如图7所示。

　　图7两路相位解调同步性实验

　　为了清晰地观察第一路的位移测量数据向上平移200nm。图中可以清晰看出两路解调位移偏差在±2nm范围内证明了FDM双波长干涉相位解调系统中的两路位移解调具有良好的同步性。

　　5、动态相位解调实验

　　为了测试系统动态相位同步检测的性能实施了双路的动态相位解调实验。对于动态目标总谐波失真THD为所有谐波的等效均方根RMS幅度与基频幅度的比值用于评估相位解调的非线性。由于THD分析要求输入是单频信号因此施加正弦电压以使测量镜M2以30Hz的频率在7rad的动态范围内运动。以10kHz的速率同时记录两个解调相位如图8所示。根据图9所示的THD分析结果检测到的相位1和相位2的基频分别为29.91Hz和29.99HzTHD分别为7.65%和7.70%信噪比SINAD均为21.64dB证明了所提出的动态相位同步检测方案的可行性。

　　图8两路正弦相位解调结果

 

 图9THD分析结果

　　实验结果

　　在FDM双波长干涉相位同步解调系统验证实验中系统稳定性实验结果良好具备所需要的测量实验条件在纳米位移测量实验中最大的步进误差不超过±2nm而标准偏差不大于1nm通过纳米级的非线性误差测量实验证明了该方法的非线性误差较小在0.4nm以下两路位移解调同步性实验中两路实时解调位移差值在±2nm范围内验证了两路相位解调具有较高的同步性动态相位解调实验中施加线性变化的正弦电压使测量镜以30Hz的频率在7rad的动态范围进行移动以10kHz的速率同时记录两个解调相位检测到的相位1和相位2的基频分别为29.91Hz和29.99HzTHD分别为7.65%和7.70%SINAD均为21.64dB。通过上述实验验证了FDM双波长干涉相位解调系统具有良好的性能。

　　安泰ATA-2082高压放大器

　　图ATA-2082高压放大器指标参数