實驗名稱：基于激光相位分立調制的多波長幹涉相位同步解調方法研究

　　研究方向：激光測量

　　測試目的：

　　在長度測量中，絕對距離測量（ADM）可實現高精度、大範圍和瞬時距離測量，與相對位移測量（RDM）相比，不需要對幹涉條紋進行連續計數即可實現精密測量，廣泛應用于高端裝備制造、大尺寸機械零部件的檢測和飛機裝配等領域。多波長幹涉測量法是一種最基本的，也是應用最爲廣泛的絕對距離測量方法，其中多波長對應幹涉相位的精確解調是最爲關鍵的問題之一。

　　測試設備：ATA-2082高壓放大器、激光器、半波片、分光鏡、邁克爾遜幹涉儀、測量角錐棱鏡、納米定位線性平台、非接觸式電容式傳感器、反射鏡、光電探測器。

　　圖：FDM雙波長幹涉光路實驗裝置

　　實驗過程：

　　以FDM雙波長幹涉相位同步解調方法爲例，對其進行了仿真分析及實驗驗證。搭建了所提出的FDM雙波長幹涉測量光路，進行了系統穩定性實驗、納米級位移測量實驗、納米級步進非線性誤差實驗、兩位位移解調同步性實驗、動態相位解調實驗。

　　由于側重于研究多波長幹涉相位解調的性能，所以采用兩個自由空間的頻率穩定He-Ne激光器（632.991nm，633.429nm），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-C1，Thorlabs）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壓放大器（ATA-2082，Aigtek）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=146kHz，ω2=195kHz，ωt=100Hz，ωL=49kHz）。通过调整高壓放大器的放大倍数，将两个EOM的正弦相位调制深度均设置为约2rad。

　　1、穩定性實驗

　　爲了測試FDM幹涉相位同步解調系統在測量鏡M2靜止時，環境因素對兩路相位解調結果的影響，對EOM施加正弦加三角波複合調制，同時記錄兩路幹涉信號解調相位的變化情況。實驗結果如圖2所示。

　　圖2：穩定性實驗結果

　　從圖2中可以看出：在1個小時內兩路相位變化約爲70°，每分鍾約變化1.2°，對于幹涉信號相位解調實驗，一般能夠在毫秒級時間內完成，上述目標漂移對多波長幹涉測量結果的影響可忽略不計。

　　2、步進測量實驗

　　爲了測試FDM雙波長幹涉相位同步解調系統在納米級範圍內位移測量精度。在實驗開始之前，先對光路進行微調，以保證光電檢測器能夠接收到正常的幹涉信號。接著調節光電檢測器的增益旋鈕，以將位移測量信號的強度調至適當的大小。將測量鏡安裝在行程爲15μm，重複定位精度爲±1nm的P-753.1CD精密線性促動器上，從0開始使其以10nm的步長步進，步進到1μm，共100個點，導軌的步進速度設置爲1μm/s。PC控制軟件對實驗過程中的解調位移和P-753.1CD精密線性促動器的位置進行了同步記錄。實驗結果如圖3、圖4所示。

　　圖3：第一路步進實驗結果

　　圖4：第二路步進實驗結果

　　爲了清晰地觀察，位移測量數據分別向上平移2μm。研制系統的線性位移測量數據與P-753.1CD精密線性促動器的定位數據間的最大偏差分別爲1.64nm、1.61nm，兩者都在±2nm範圍內，標准偏差分別爲0.81nm、0.75nm，均在1nm範圍之內，說明FDM雙波長幹涉相位同步解調系統能夠實現納米級的測量精度。

　　3、非線性誤差測量實驗

　　爲了測試FDM雙波長幹涉相位同步解調系統非線性誤差的大�。瑢�測量鏡安裝在行程爲15μm，重複定位精度爲±1nm的P-753.1CD精密線性促動器上，從0開始使其以10nm的步長步進，步進到3μm，共300個點，導軌的步進速度設置爲1μm/s。每一次步進，實時的導軌位置和解調位移值是被同時記錄的，直到測量結束，兩路位移解調的結果如圖5、圖6所示，其中圖5(a)、圖6(a)表示系統所解調的位移測量值、精密導軌的位置以及每次步進的誤差值，圖5(b)、圖6(b)是誤差值的FFT分析結果。

圖5：第一路非線性誤差測量和FFT分析結果

圖6：第二路非線性誤差測量和FFT分析結果

　　由于外部環境的變化，如溫度、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。所以圖5和圖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。但是在圖5和圖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、兩路位移解調同步性實驗

　　爲了測試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圖7所示。

　　圖7：兩路相位解調同步性實驗

　　爲了清晰地觀察，第一路的位移測量數據向上平移200nm。圖中可以清晰看出，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、動態相位解調實驗

　　爲了測試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，如圖8所示。根据圖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29.99Hz，THD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。

　　圖8：兩路正弦相位解調結果

　　圖9：THD分析結果

　　實驗結果：

　　在FDM雙波長幹涉相位同步解調系統驗證實驗中：系統穩定性實驗結果良好，具備所需要的測量實驗條件；在納米位移測量實驗中，最大的步進誤差不超過±2nm，而標准偏差不大于1nm；通過納米級的非線性誤差測量實驗，證明了該方法的非線性誤差較�。�在0.4nm以下；兩路位移解調同步性實驗中，兩路實時解調位移差值在±2nm範圍內，驗證了兩路相位解調具有較高的同步性；動態相位解調實驗中，施加線性變化的正弦電壓使測量鏡以30Hz的頻率在7rad的動態範圍進行移動，以10kHz的速率同時記錄兩個解調相位，檢測到的相位1和相位2的基頻分別爲29.91Hz和29.99Hz，THD分別爲7.65%和7.70%，SINAD均爲21.64dB。通過上述實驗，驗證了FDM雙波長幹涉相位解調系統具有良好的性能。

　　安泰ATA-2082高壓放大器：

　　圖：ATA-2082高壓放大器指标参数

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　　本文实验案例参考自知网论文《基于激光相位分立調制的多波長幹涉相位同步解調方法研究》