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基于激光自混合干涉效应的二维位移测量技术研究

孔令雯  
【摘要】:在集成电路制造、半导体工业和纳米技术等高要求领域,对高分辨率、高精度的位移测量提出了更高的要求。近年来激光自混合干涉技术以其独特的紧凑性、稳健性和自准直性,受到越来越多的关注,广泛应用于精密位移测量领域。激光自混合干涉(SMI)是指激光器的输出光被外部目标反射或散射后重新耦合回激光器的谐振腔,反馈光携带了被测目标的信息,与腔内光混合后,会调制激光器的输出特性。与传统的双光束干涉仪相同,激光自混合干涉技术具有测量速度快、精度高、非接触等优点,但其对压力波动、湿度变化和激光功率不稳定性等环境扰动较为敏感,为了达到纳米级的精度,必须严格控制工作环境。而光栅干涉技术以光栅的栅距作为测量基准,对环境因素的要求比较低,在环境控制方面具有很大优势。本文将激光自混合干涉效应和光栅干涉的思路相结合,通过在激光自混合干涉系统中引入衍射光栅,使得自混合干涉的测量基准由波长变为相对稳定的光栅栅距,极大的提高了系统稳定性,同时由于衍射效率的限制,使得激光自混合干涉自动工作在弱反馈条件下,无需额外的控制光反馈量。设计了单光路激光自混合光栅干涉仪用于面内、面外位移的分别测量。系统采用利特罗结构,具有自准直、结构简单、易于操作的显著优点。为了高精度的解调出激光自混合光栅干涉信号的相位,利用铌酸锂电光晶体对激光自混合干涉信号进行高频相位调制。文中给出了位移测量的理论推导和仿真分析,并对于仿真结果进行实验观察,最后对于测量结果的误差来源和测量精度进行了分析。实验结果表明该系统抗干扰能力较强,实现了十纳米量级精度的微位移测量。在此研究基础上,研制了对称式激光自混合光栅干涉系统,同时测量二维面内、面外位移。对二维位移测量的理论推导和仿真分析进行详细阐述,并对仿真结果进行实验观察,最后对于测量结果的误差来源和测量精度进行了分析。实验结果表明:系统实现了十纳米量级精度的微位移测量,这种新型的激光自混合光栅干涉系统既具有激光反馈干涉仪结构简单、紧凑,无需外部探测器的优点,又具有光栅干涉仪测量精度高、抗干扰能力强的优点,具有良好的发展前景。


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