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Forschung zur interferometrischen phasensynchronen Demodulationsmethode mit mehreren Wellenlängen

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Forschung zur interferometrischen phasensynchronen Demodulationsmethode mit mehreren Wellenlängen

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Titel des Experiments: Forschung zur interferometrischen phasensynchronen Demodulationsmethode mit mehreren Wellenlängen auf der Grundlage der diskreten Laserphasenmodulation

Forschungsgebiet: Laser-Messtechnik

Zweck des Tests:

Bei der Längenmessung ermöglicht die Absolute Distanzmessung (ADM) eine hochpräzise, weitreichende und sofortige Distanzmessung. Im Gegensatz zur relativen Abstandsmessung (RDM) ist für eine präzise Messung keine kontinuierliche Zählung von Interferenzstreifen erforderlich. ADM wird häufig in der Fertigung von High-End-Geräten, bei der Inspektion großer mechanischer Komponenten und bei der Flugzeugmontage eingesetzt. Die Mehrwellenlängen-Interferometrie ist eine grundlegende und weit verbreitete ADM-Methode, bei der die präzise Demodulation von Mehrwellenlängen-Interferenzphasen eine Schlüsselfrage ist.

Prüfgeräte: Hochspannungsverstärker ATA-2082, Laser, Halbwellenplatte, Strahlteiler, Michelson-Interferometer, Messwinkel-Würfelprisma, Nanopositionier-Lineartisch, berührungsloser kapazitiver Sensor, Reflektor, Photodetektor.

FDM Zwei-Wellenlängen-Interferometrie-Versuchsaufbau

FDM-Interferometrie-Versuchsaufbau für zwei Wellenlängen

Abbildung: FDM-Interferometrie-Versuchsaufbau mit zwei Wellenlängen

Ablauf des Experiments:

Am Beispiel der phasensynchronen FDM-Doppelwellenlängen-Interferometrie wurden eine Simulationsanalyse und eine experimentelle Überprüfung durchgeführt. Die vorgeschlagene FDM Dual-Wellenlänge interferometrischen Messaufbau wurde gebaut, und mehrere Experimente wurden durchgeführt, einschließlich Systemstabilität, Nano-Verschiebung Messung, Nano-Schritt Nichtlinearität Fehler, Dual-Kanal-Verschiebung Demodulation Synchronität und dynamische Phase Demodulation Experimente.

Um die Leistung der interferometrischen Phasendemodulation bei mehreren Wellenlängen zu untersuchen, wurden zwei frequenzstabilisierte He-Ne-Laser (632,991nm, 633,429nm) im freien Raum verwendet. Experimente wie die Nano-Verschiebungsmessung wurden durchgeführt, um die Phasendemodulationsgenauigkeit und den Nichtlinearitätsfehler zu analysieren. Zwei Halbwellenplatten (HWP) stellten die Polarisationsrichtung des Laserstrahls auf 45° zur optischen Achse des EOM (EO-PM-NR-C1, Thorlabs) ein. Zwei EOMs modulierten die beiden Laserstrahlen mit unterschiedlichen Frequenzen, die an einem Strahlteiler (BS) zusammengeführt wurden. Im Michelson-Interferometer war das messende Eckwürfelprisma (M2) auf einem Nanopositionier-Lineartisch installiert. Ein berührungsloser kapazitiver Sensor maß die Verschiebung. Der Lineartisch hat eine Auflösung im Sub-Nanometerbereich, eine Wiederholgenauigkeit von ±1 nm, einen Verfahrbereich von 15 μm im geschlossenen Regelkreis und einen Linearitätsfehler von 0,03 %. Das interferometrische FDM-Lasersignal, das von einem Reflektor (R2) reflektiert wurde, wurde von einem Fotodetektor erfasst. Ein kundenspezifisches FPGA-basiertes ADC&DAC-Entwicklungsboard verarbeitete die Signale, einschließlich der Erzeugung von Phasenmodulationssignalen, der Erfassung von FDM-Interferometersignalen und der Demodulation von Interferenzphasen. Die erzeugten Phasenmodulationssignale, die durch einen Zweikanal-Hochspannungsverstärker (ATA-2082, Aigtek) verstärkt wurden, steuerten die elektrooptischen Modulatoren (EOMs). Die Phasenmodulationssignale und Tiefpassfiltereinstellungen entsprachen den simulierten Signalen (ω1=146kHz, ω2=195kHz, ωt=100Hz, ωL=49kHz). Durch Anpassen der Verstärkung des Hochspannungsverstärkers wurde die Sinus-Phasenmodulationstiefe beider EOMs auf etwa 2rad eingestellt.

Stabilitätsexperiment

Um die Stabilität des interferometrischen phasensynchronen FDM-Demodulationssystems bei stationärem Messspiegel M2 zu testen, wurde eine zusammengesetzte Sinus- und Dreieckswellenmodulation auf das EOM angewandt, und die Phasenänderungen der beiden interferometrischen Signaldemodulationen wurden aufgezeichnet. Die Ergebnisse sind in Abbildung 2 dargestellt.

Ergebnisse des Stabilitätsexperiments

Abbildung 2: Ergebnisse des Stabilitätsexperiments

Aus Abbildung 2 geht hervor, dass sich die beiden Phasen innerhalb einer Stunde um etwa 70° änderten, mit einer Änderung von etwa 1,2° pro Minute. Da interferometrische Phasendemodulationsexperimente in der Regel innerhalb von Millisekunden abgeschlossen werden, ist der Einfluss der Targetdrift auf die interferometrischen Messergebnisse bei mehreren Wellenlängen vernachlässigbar.

Experiment zur Stufenmessung

Um die Genauigkeit des interferometrischen phasensynchronen Demodulationssystems mit zwei Wellenlängen im Nanobereich zu bewerten, wurde der optische Pfad zunächst so eingestellt, dass der Photodetektor normale interferometrische Signale empfängt. Der Verstärkungsregler des Photodetektors wurde so eingestellt, dass die Signalstärke für die Verschiebungsmessung einen angemessenen Wert erreichte. Der Messspiegel wurde auf einem Präzisionslinearantrieb P-753.1CD mit einem Stellweg von 15 μm und einer wiederholbaren Positioniergenauigkeit von ±1 nm installiert. Ausgehend von 0 wurde der Spiegel in 10nm-Schritten auf 1μm (100 Punkte) verstellt, wobei die Verstellgeschwindigkeit auf 1μm/s eingestellt war. Die PC-Steuersoftware zeichnete die demodulierte Verschiebung und die Position des Aktuators P-753.1CD synchron auf. Die Ergebnisse sind in den Abbildungen 3 und 4 dargestellt.

Ergebnisse des Experiments mit dem ersten Kanalschritt

Abbildung 3: Ergebnisse des Erste-Kanal-Schritt-Experiments

Zweite Kanalschritt-Experimentierergebnisse

Abbildung 4: Ergebnisse des Zweitkanal-Schritt-Experiments

Zur Verdeutlichung wurden die Wegmessdaten um 2μm nach oben verschoben. Die maximalen Abweichungen zwischen den linearen Verschiebungsmessdaten des Systems und den Positionierungsdaten des Aktuators P-753.1CD betrugen 1,64 nm und 1,61 nm, beide innerhalb von ±2 nm. Die Standardabweichungen betrugen 0,81 nm und 0,75 nm, beide innerhalb von 1 nm, was darauf hindeutet, dass das interferometrische phasensynchrone Demodulationssystem FDM mit zwei Wellenlängen eine Messgenauigkeit im Nanobereich erreicht.

Experiment zur Messung des Nichtlinearitätsfehlers

Zur Messung des Nichtlinearitätsfehlers des interferometrischen phasensynchronen FDM-Doppelwellenlängen-Demodulationssystems wurde der Messspiegel auf einem Präzisionslinearaktuator P-753.1CD mit einem Verfahrweg von 15μm und einer wiederholbaren Positioniergenauigkeit von ±1nm installiert. Ausgehend von 0 wurde der Spiegel in 10nm-Schritten auf 3μm (300 Punkte) verstellt, wobei die Verstellgeschwindigkeit auf 1μm/s eingestellt war. Bei jedem Schritt wurden die Echtzeit-Tischposition und die demodulierten Verschiebungswerte bis zum Ende der Messung aufgezeichnet. Die beiden Ergebnisse der Verschiebungsdemodulation sind in den Abbildungen 5 und 6 dargestellt. Die Abbildungen 5(a) und 6(a) zeigen die demodulierten Wegmesswerte des Systems, die Position des Präzisionstisches und die Fehlerwerte bei jedem Schritt. Die Abbildungen 5(b) und 6(b) zeigen die Ergebnisse der FFT-Analyse der Fehlerwerte.

Ergebnisse der Fehlermessung der Nichtlinearität des ersten Kanals und der FFT-Analyse

Abbildung 5: Messung des Nichtlinearitätsfehlers des ersten Kanals und Ergebnisse der FFT-Analyse

Messung des Nichtlinearitätsfehlers des zweiten Kanals und Ergebnisse der FFT-Analyse

Abbildung 6: Messung des Nichtlinearitätsfehlers des zweiten Kanals und Ergebnisse der FFT-Analyse

Externe Umgebungsänderungen wie Temperatur und CO2-Konzentration sowie die Winkelabweichung zwischen der Bewegungsrichtung des P-753.1CD und der Strahlrichtung führen zu linearen Fehlern, nicht zu nichtlinearen Fehlern. Die Abbildungen 5 und 6 zeigen die Verschiebungsfehler nach Beseitigung der linearen Fehler. Die Arkustangens-Operation in Phasendemodulationsalgorithmen kann zu nichtlinearen Fehlern mit einer π-Periode führen. Wenn die Phasendemodulation nichtlineare Fehler aufweist, würde eine Spitze bei der zweiten harmonischen Komponente erscheinen. Bei der FFT-Analyse der Verschiebungsabweichungen in den Abbildungen 5 und 6 lagen die nichtlinearen Fehler bei der zweiten harmonischen Komponente jedoch für beide Verschiebungen unter 0,3 nm. Der größere nichtlineare Fehler von 0,6 nm beim Streifen erster Ordnung (2π-Periode) war auf Polarisationslecks im PBS im Versuchsaufbau und nicht auf das Phasendemodulationssystem zurückzuführen, was darauf hindeutet, dass das interferometrische phasensynchrone FDM-Doppelwellenlängen-Demodulationssystem einen geringen nichtlinearen Fehler aufweist.

Zwei-Kanal-Verschiebungsdemodulations-Synchronitätsexperiment

Um die Konsistenz der beiden Phasendemodulationskanäle im interferometrischen phasensynchronen FDM-Doppelwellenlängen-Demodulationssystem zu testen, wurde der Messspiegel auf einem Präzisionslinearantrieb P-753.1CD mit 15μm Verfahrweg und einer wiederholbaren Positioniergenauigkeit von ±1nm installiert. Ausgehend von 0 wurde der Spiegel in 10nm-Schritten auf 500nm (50 Punkte) verstellt, wobei die Verstellgeschwindigkeit auf 1μm/s eingestellt war. Bei jedem Schritt wurden die Echtzeit-Tischposition und die demodulierten Verschiebungswerte bis zum Ende der Messung aufgezeichnet. Die beiden Ergebnisse der Verschiebungsdemodulation und ihre Unterschiede sind in Abbildung 7 dargestellt.

Zwei-Kanal-Phasendemodulations-Synchronitätsexperiment

Abbildung 7: Zweikanal-Phasendemodulations-Synchronitätsexperiment

Zur Verdeutlichung wurden die Verschiebungsmessdaten des ersten Kanals um 200 nm nach oben verschoben. Die Abbildung zeigt deutlich, dass die beiden demodulierten Verschiebungsabweichungen innerhalb von ±2 nm blieben, was beweist, dass das interferometrische phasensynchrone FDM-Doppelwellenlängen-Demodulationssystem eine gute Synchronität zwischen den beiden Verschiebungsdemodulationskanälen aufweist.

Dynamisches Phasendemodulationsexperiment

Um die dynamische phasensynchrone Detektionsleistung des Systems zu bewerten, wurde ein zweikanaliges dynamisches Phasendemodulationsexperiment durchgeführt. Bei dynamischen Zielen wird die Nichtlinearität der Phasendemodulation anhand der Gesamtharmonischen Verzerrung (THD), dem Verhältnis der RMS-Amplitude aller Oberwellen zur Amplitude der Grundfrequenz, bewertet. Da für die THD-Analyse ein Einzelfrequenz-Eingangssignal erforderlich ist, wurde eine Sinusspannung angelegt, um den Messspiegel M2 bei 30 Hz innerhalb eines Dynamikbereichs von 7 rad zu bewegen. Die beiden demodulierten Phasen wurden gleichzeitig bei 10kHz aufgezeichnet, wie in Abbildung 8 dargestellt. Nach den Ergebnissen der THD-Analyse in Abbildung 9 betrugen die erkannten Grundfrequenzen von Phase 1 und Phase 2 29,91 Hz und 29,99 Hz, mit THD-Werten von 7,65 % und 7,70 % und SINAD-Werten von 21,64 dB für beide, was die Machbarkeit des vorgeschlagenen dynamischen phasensynchronen Erkennungsschemas beweist.

Ergebnisse der zweikanaligen Sinus-Phasen-Demodulation

Abbildung 8: Ergebnisse der zweikanaligen Demodulation der Sinusphase

THD-Analyse-Ergebnisse

Abbildung 9: THD-Analyseergebnisse

Experimentelle Ergebnisse:

In den Experimenten zur Verifizierung des FDM-Doppelwellenlängen-Interferometersystems zur phasensynchronen Demodulation:

Die Ergebnisse der Systemstabilitätsexperimente waren zufriedenstellend und erfüllten die erforderlichen Messbedingungen.

Im Experiment zur Messung der Nanoverschiebung lag der maximale Schrittfehler innerhalb von ±2 nm, mit einer Standardabweichung von nicht mehr als 1 nm.

Das Experiment zur Messung des Nichtlinearitätsfehlers im Nanobereich zeigte, dass die Methode einen geringen Nichtlinearitätsfehler von unter 0,4 nm aufweist.

Im Experiment zur Synchronität der Zweikanal-Verschiebungsdemodulation lag die in Echtzeit demodulierte Verschiebungsdifferenz zwischen den beiden Kanälen innerhalb von ±2nm, was eine hohe Synchronität zwischen den beiden Phasendemodulationskanälen bestätigt.

Im dynamischen Phasendemodulationsexperiment wurde eine linear variierende Sinusspannung angelegt, um den Messspiegel mit 30 Hz innerhalb eines dynamischen Bereichs von 7 rad zu bewegen. Die beiden demodulierten Phasen wurden gleichzeitig mit 10kHz aufgezeichnet. Die ermittelten Grundfrequenzen von Phase 1 und Phase 2 lagen bei 29,91 Hz und 29,99 Hz, mit THD-Werten von 7,65 % und 7,70 % und SINAD-Werten von 21,64 dB für beide.

Diese Experimente bestätigten, dass das interferometrische phasensynchrone FDM-Doppelwellenlängen-Demodulationssystem eine ausgezeichnete Leistung aufweist.

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