纳米精度外差式激光干涉仪非线性误差修正方法研究

提出一种外差干涉非线性误差修正方法,采用混频技术将光频信号降低到通用数据采集系统频率响应范围内;采用高速数据采集板实现外差干涉测量信号和参考信号双通道同步实时采集;对采集数据进行光滑处理,滤除高阶非线性误差;解出位移量对应的相位差。试验结果表明,所提出的修正方法可以较好地修正双频激光干涉仪中存在的非线性误差,使外差干涉仪测量不确定度由原来的20nm降低到10nm。

外差式激光干涉仪应用于正弦直线和旋转振动测量技术的研究

介绍外差式激光干涉仪和应用于旋转振动测量的衍射光栅技术理论和工作原理。针对马赫泽德外差式激光干涉仪在绝对法振动校准技术中的应用,简要介绍了测量系统另外两个重要组成部分(频移变换和数字信号处理)的原理、算法和技术实现。这种振动测量系统与正弦直线和旋转激振系统相配合,采用同一种正弦逼近的信号处理方法,可实现直线振动量(位移、速度、加速度)和旋转振动量(角位移、角速度、角加速度)两大类型、各种振动传感器幅相特性绝对法的精确校准。

外差式激光干涉信号的采集与解调方法综述

外差式激光干涉仪被广泛应用于激光干涉法振动绝对校准。基于外差式激光干涉仪的振动测量原理及其干涉信号的特点,重点阐述了现有外差式激光干涉信号采集方法的采集原理,采样频率与采样精度等的特点;分析总结了现有外差式激光干涉信号解调方法的解调原理,解调精度与实时性。针对现有干涉信号采集方法在采样频率与精度,解调方法在解调精度、实时性及降噪处理等方面存在的问题,提出改进建议,以提高外差式激光干涉仪振动测量的精度与实时性。

双频激光干涉仪技术现状与发展

文章概述了国内外双频激光干涉仪产品的现状,介绍了近年来双频激光干涉仪向高分辨率、高精度、高测速等几个方向的发展趋势。

高测速双频激光干涉仪

现代机械工业的发展使得数控机床和三坐标测量机等的运行速度已经达到 10 0 0 mm/ s,而目前商用外差干涉仪的测量速度不能满足这一要求。为此研制了一种基于 5 MHz频差双反射膜激光器的高测速干涉仪。通过实验对干涉仪的测量速度进行了验证。实验证明 ,该种干涉仪可以对速度为 10 0 0 mm/

外差激光干涉仪周期非线性误差形成机理与补偿方法

针对纳米级周期非线性误差制约外差激光干涉仪使其不能适应下一代超精密装备制造与重大科学工程提出的亚纳米乃至皮米测量精度需求的问题,分析了外差激光干涉仪中两类周期非线性误差的形成机理,并对周期非线性误差的补偿方法进行了研究.结果表明:第1类周期非线性误差是由于双频激光不能完全分离引起双频激光交叉混叠,进而导致的周期非线性误差,该误差幅度可从数纳米到数十纳米;第2类周期非线性误差是由于测量光束在光学界面产生了具有多阶多普勒频移特征的虚反射光束,进而引入的周期非线性误差,该误差幅度可从数皮米至数纳米.对于第1类周期非线性误差,现有误差补偿方法,如椭圆拟合法等,可将其抑制至0.1 nm量级,特别是空间分离式外差激光干涉仪则从原理上完全消除了这一类误差;而对于第2类误差,通过降低虚反射率和空间滤波可以将第2类误差降低至数十皮米到数百皮米,剩余误差尚不能完全满足皮米测量的精度需求,亟待发明新的误差抑制或补偿技术.

基于偏振双反射膜的5 MHz频差He-Ne双频激光器

提出了一种利用特殊多层反射膜—应力双反射膜制作的偏振双反射膜He Ne双频激光器 ,这种膜对不同偏振光在垂直入射时反射系数相位跃变不同。利用横向Zeeman效应减小模式耦合 ,使激光器能够输出 5MHz频差的正交线偏振光。进行了横向磁场的方向及激光器的偏振特性的实验研究。采用热补偿法稳频后 ,与中国计量科学研究院的碘稳频激光器 (波长扩展不确定度为 2 5× 10 - 1 1 )进行了拍频比对 ,比对结果表明 :激光器的频率稳定度为 1 4× 10 - 1 0 (10s采样 ) ,平均真空波长扩展不确定度为 3× 10 - 8(K =3)。这种双频激光器结构简单 ,光束特性好 ,频差合适 ,适于制作高测速外差干涉仪。

1nm级表面粗糙度的双频激光测量系统

研究了一种基于共外光路双频激光光外差原理的 1nm级表面粗糙度的测量系统 .从理论上论证了测量系统的原理和测量精度 ,并用实验结果证明了测量系统的分辨率 .此测量系统没有测量基准误差 ,对测量环境要求不特别苛刻 。

多自由度激光干涉空间惯性质量块位姿测量

鉴于通过测量高精度的位移数据可以获得高精度的微重力加速度数据,进而服务于多种空间科学载荷的研究任务,提出了一种基于三组正交对称角锥棱镜的双频光路,利用外差干涉测量技术实现空间惯性质量块的六自由度位移和角度测量的方法。通过光路矢量分析建立了实际角锥棱镜的光路模型,考虑质量块在运动过程中带来的附加光程差,推导了各测量光路的光程变化与质量块六自由度位姿的函数关系。为了克服小角度近似法精度不高的缺陷,提出了利用数值计算法解耦姿态角进而获得相对位移的位姿解算算法。利用空间在轨位姿数据和随机位姿数据进行系统仿真。仿真结果表明:数值计算的位移误差小于0.02 fm,且该方法的计算误差不会随着飞行器振动的增大而变大,算法具有更高的精度和更好的适应性。最后,分析了系统的误差来源,在保证角度安装误差小于5 mrad、距离安装误差小于10μm且平行度小于2 mrad时,系统的姿态角测量误差小于0.017°,位移测量误差小于10 nm。本文提出的六自由度测量及解算方法也可以服务于其他精密加工与检测领域。

类比式相位差低同调光学反射技术的研究

为了获得更高的测量解析度,采用低同调光源和迈克尔逊干涉仪为主要结构,结合差动放大器与高倍显微物镜测量发展了一套类比式相位差低同调光学反射系统。该系统其利用类似平衡检测的结构可获得高信噪比和高灵敏度的测量能力;使用频宽为100MHz的差动放大器,可得到高时间-频宽乘积的测量,能在表面形貌和移动速率测量上达到更高的灵敏度。结果表明,该系统使用了频宽较窄的超发光二极管与高数值孔径的显微物镜进行局域测量,使其具有相同的局域定位效果。

中频差Zeeman双折射双频激光干涉系统的实验研究

Zeeman双折射双频激光器能够输出3～40MHz频差的双频激光，可用作高测速双频激光干涉仪的光源。针对这种激光器的特点，以频差约7MHz的Zeeman双折射双频激光器为干涉仪的光源，建立了中频差双频激光干涉仪测量系统。经过与商用HP5528A双频激光干涉仪的比对测量实验得出，中频差双频激光干涉仪实验测量系统测量线性度小于0．002％，测量的标准不确定度小于0．1μm，证明了中频差双频激光干涉系统的可行性和针对这种光源采用的设计方案的正确性。

激光外差干涉技术在光刻机中的应用

超精密位移测量系统是光刻机不可或缺的关键分系统之一,而基于激光外差干涉技术的超精密位移测量系统同时具备亚纳米级分辨率、纳米级精度、米级量程和数米每秒的测量速度等优点,是目前唯一能满足光刻机要求的位移测量系统。目前应用于光刻机的超精密位移测量系统主要有双频激光干涉仪和平面光栅测量系统两种,二者均以激光外差干涉技术为基础。本文将分别对这两种测量系统的原理、优缺点以及在光刻机中的典型应用进行阐述。

大型望远系统波前检测中的波前误差修正

在大型望远系统的波前检测中,固定着五角棱镜的运动平台沿并非严格平面的导轨平台移动时,五角棱镜会发生微偏转产生扫描激光束转向的波前误差。用渥拉斯顿棱镜型双频激光干涉仪实时测量五角棱镜的运动误差,计算扫描激光束入射望远系统子孔径时的波前误差,修正此波前误差得到子孔径范围内望远系统自身的波前。

像素位置偏差对质心定位精度的影响

为提高微型星敏感器的质心定位精度,提出了一种利用外差式激光干涉装置标定图像传感器像素位置偏差的方法,并就像素位置偏差对星点像质心定位精度的影响进行了仿真研究。在噪声忽略不计的情况下,当像素位置偏差服从(-0.02,0.02)上的均匀分布时,补偿系统误差能够使星点定位精度从0.008 pixel提高到0.002 pixel。而如果加入服从N(0,5.52)的高斯白噪声,当像素位置偏差服从(-0.02,0.02)上的均匀分布时,补偿像素位置偏差能使定位精度从0.020 pixel提高到0.018 pixel;当像素位置偏差服从(-0.04,0.04)上的均匀分布时,补偿像素位置偏差能使定位精度从0.026 pixel提高到0.018 pixel,提高了31%。这说明标定像素位置偏差对提升质心定位精度有显著作用,为发展高精度微型星敏感器提供了一种新的技术手段。