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Ricerca sul metodo di demodulazione sincrona di fase interferometrica a più lunghezze d'onda

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Ricerca sul metodo di demodulazione sincrona di fase interferometrica a più lunghezze d'onda

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Titolo dell'esperimento: Ricerca sul metodo di demodulazione sincrona di fase interferometrica a più lunghezze d'onda basato sulla modulazione discreta di fase del laser

Campo di ricerca: Misura laser

Scopo del test:

Nella misurazione delle lunghezze, la Misura Assoluta della Distanza (ADM) consente di effettuare misure di distanza ad alta precisione, a grande distanza e istantanee. A differenza della misura di spostamento relativo (RDM), non richiede il conteggio continuo delle frange di interferenza per una misura precisa. L'ADM è ampiamente utilizzata nella produzione di apparecchiature di fascia alta, nell'ispezione di componenti meccanici di grandi dimensioni e nell'assemblaggio di aeromobili. L'interferometria a più lunghezze d'onda è un metodo ADM fondamentale e ampiamente utilizzato, in cui la demodulazione precisa delle fasi di interferenza a più lunghezze d'onda è un aspetto fondamentale.

Apparecchiature di prova: Amplificatore ad alta tensione ATA-2082, laser, piastra a semionda, divisore di fascio, interferometro Michelson, prisma cubico angolare di misura, stadio lineare di nano-posizionamento, sensore capacitivo senza contatto, riflettore, fotorivelatore.

Setup dell'esperimento di interferometria a doppia lunghezza d'onda FDM

Setup dell'esperimento di interferometria FDM a doppia lunghezza d'onda

Figura: Setup dell'esperimento di interferometria a doppia lunghezza d'onda FDM

Processo sperimentale:

Utilizzando come esempio il metodo di demodulazione sincrona di fase interferometrica a doppia lunghezza d'onda FDM, sono state effettuate analisi di simulazione e verifiche sperimentali. È stata costruita la configurazione di misura interferometrica a doppia lunghezza d'onda FDM proposta e sono stati condotti diversi esperimenti, tra cui la stabilità del sistema, la misura di nano-spostamento, l'errore di non linearità di nano-passo, la sincronia di demodulazione di spostamento a doppio canale e gli esperimenti di demodulazione di fase dinamica.

Per concentrarsi sulle prestazioni della demodulazione di fase interferometrica a più lunghezze d'onda, sono stati utilizzati due laser He-Ne stabilizzati in frequenza (632,991 nm e 633,429 nm) nello spazio libero. Per analizzare l'accuratezza della demodulazione di fase e l'errore di non linearità sono stati condotti esperimenti come la misurazione del nano-spostamento. Nella configurazione, due piastre a mezz'onda (HWP) hanno impostato la direzione di polarizzazione del raggio laser a 45° rispetto all'asse ottico dell'EOM (EO-PM-NR-C1, Thorlabs). Due EOM hanno modulato in fase i due fasci laser a frequenze diverse, che sono stati combinati in un beam splitter (BS). Nell'interferometro di Michelson, il prisma cubico angolare di misura (M2) è stato installato su uno stadio lineare di nano-posizionamento. Un sensore capacitivo senza contatto ha misurato lo spostamento. Lo stadio lineare ha una risoluzione sub-nanometrica, una ripetibilità di ±1nm, una corsa ad anello chiuso di 15μm e un errore di linearità dello 0,03%. Il segnale laser interferometrico FDM, riflesso da un riflettore (R2), è stato rilevato da un fotorivelatore. Una scheda di sviluppo ADC&DAC personalizzata basata su FPGA ha elaborato i segnali, tra cui la generazione di segnali di modulazione di fase, l'acquisizione di segnali interferometrici FDM e la demodulazione delle fasi di interferenza. I segnali di modulazione di fase generati, amplificati da un amplificatore ad alta tensione a due canali (ATA-2082, Aigtek), hanno pilotato i modulatori elettro-ottici (EOM). I segnali di modulazione di fase e le impostazioni del filtro passa-basso corrispondevano ai segnali simulati (ω1=146kHz, ω2=195kHz, ωt=100Hz, ωL=49kHz). Regolando il guadagno dell'amplificatore ad alta tensione, la profondità di modulazione di fase sinusoidale di entrambi gli EOM è stata portata a circa 2rad.

Esperimento di stabilità

Per testare la stabilità del sistema di demodulazione sincrona di fase interferometrica FDM quando lo specchio di misura M2 è fermo, è stata applicata una modulazione composita di onde sinusoidali e triangolari all'EOM e sono state registrate le variazioni di fase della demodulazione dei due segnali interferometrici. I risultati sono illustrati nella Figura 2.

Risultati dell'esperimento di stabilità

Figura 2: Risultati dell'esperimento di stabilità

Dalla Figura 2, in un'ora le due fasi sono cambiate di circa 70°, con una variazione al minuto di circa 1,2°. Poiché gli esperimenti di demodulazione di fase interferometrica si concludono generalmente in pochi millisecondi, l'impatto della deriva del bersaglio sui risultati delle misure interferometriche a più lunghezze d'onda è trascurabile.

Esperimento di misura a gradini

Per valutare l'accuratezza della misura di spostamento su scala nanometrica del sistema di demodulazione sincrona di fase interferometrica a doppia lunghezza d'onda FDM, il percorso ottico è stato prima regolato per garantire che il fotorivelatore ricevesse segnali interferometrici normali. La manopola di guadagno del fotorivelatore è stata regolata per impostare l'intensità del segnale di misura dello spostamento a un livello adeguato. Lo specchio di misura è stato installato su un attuatore lineare di precisione P-753.1CD con corsa di 15μm e precisione di posizionamento ripetibile di ±1nm. Partendo da 0, lo specchio è passato con incrementi di 10 nm a 1μm (100 punti), con la velocità di passo dello stadio impostata a 1μm/s. Il software di controllo del PC ha registrato in modo sincrono lo spostamento demodulato e la posizione dell'attuatore P-753.1CD. I risultati sono riportati nelle Figure 3 e 4.

Risultati dell'esperimento sul primo canale a gradini

Figura 3: Risultati dell'esperimento sul primo canale a gradini

Risultati dell'esperimento sul secondo canale a gradini

Figura 4: Risultati dell'esperimento sul secondo canale a gradini

Per chiarezza, i dati di misurazione dello spostamento sono stati spostati verso l'alto di 2μm. Le deviazioni massime tra i dati di misurazione dello spostamento lineare del sistema e i dati di posizionamento dell'attuatore P-753.1CD sono state di 1,64nm e 1,61nm, entrambe entro ±2nm. Le deviazioni standard sono state di 0,81nm e 0,75nm, entrambe entro 1nm, indicando che il sistema di demodulazione sincrona di fase interferometrica a doppia lunghezza d'onda FDM raggiunge una precisione di misura su scala nanometrica.

Esperimento di misurazione dell'errore di non linearità

Per misurare l'errore di non linearità del sistema di demodulazione sincrona di fase interferometrica a doppia lunghezza d'onda FDM, lo specchio di misura è stato installato su un attuatore lineare di precisione P-753.1CD con corsa di 15μm e precisione di posizionamento ripetibile di ±1nm. Partendo da 0, lo specchio è passato con incrementi di 10 nm a 3μm (300 punti), con la velocità di passo dello stadio impostata a 1μm/s. A ogni passo, sono stati registrati in tempo reale la posizione dello stadio e i valori di spostamento demodulati fino alla fine della misura. I due risultati della demodulazione dello spostamento sono mostrati nelle Figure 5 e 6. Le figure 5(a) e 6(a) mostrano i valori di misura dello spostamento demodulato del sistema, la posizione dello stadio di precisione e i valori di errore a ogni passo. Le Figure 5(b) e 6(b) mostrano i risultati dell'analisi FFT dei valori di errore.

Misurazione dell'errore di non linearità del primo canale e risultati dell'analisi FFT

Figura 5: Misura dell'errore di non linearità del primo canale e risultati dell'analisi FFT

Figura 6. Misurazione dell'errore di non linearità del secondo canale e risultati dell'analisi FFT

Figura 6: Misura dell'errore di non linearità del secondo canale e risultati dell'analisi FFT

I cambiamenti ambientali esterni, come la temperatura e la concentrazione di CO2, e la deviazione angolare tra la direzione di movimento del P-753.1CD e la direzione del fascio, introducono errori lineari, non errori non lineari. Le figure 5 e 6 mostrano gli errori di spostamento dopo la rimozione degli errori lineari. L'operazione arctangente negli algoritmi di demodulazione di fase può introdurre errori non lineari con un periodo π. Se la demodulazione di fase presenta errori non lineari, un picco appare in corrispondenza della seconda componente armonica. Tuttavia, nell'analisi FFT delle deviazioni di spostamento nelle figure 5 e 6, gli errori non lineari alla seconda componente armonica erano inferiori a 0,3 nm per entrambi gli spostamenti. L'errore non lineare più grande, pari a 0,6 nm, in corrispondenza della frangia del primo ordine (periodo di 2π) era dovuto alla dispersione della polarizzazione nel PBS dell'impianto sperimentale e non al sistema di demodulazione di fase, il che indica che il sistema di demodulazione interferometrica sincrona di fase a doppia lunghezza d'onda FDM ha un basso errore non lineare.

Esperimento di sincronia della demodulazione di spostamento a due canali

Per verificare la coerenza dei due canali di demodulazione di fase nel sistema di demodulazione sincrona di fase interferometrica a doppia lunghezza d'onda FDM, lo specchio di misura è stato installato su un attuatore lineare di precisione P-753.1CD con corsa di 15μm e precisione di posizionamento ripetibile di ±1nm. Partendo da 0, lo specchio ha effettuato incrementi di 10 nm fino a 500 nm (50 punti), con la velocità di spostamento dello stadio impostata a 1 μm/s. A ogni passo, sono stati registrati in tempo reale la posizione dello stadio e i valori di spostamento demodulati fino al termine della misura. I due risultati della demodulazione dello spostamento e le loro differenze sono mostrati nella Figura 7.

Esperimento di sincronia della demodulazione di fase a due canali

Figura 7: Esperimento di sincronia della demodulazione di fase a due canali

Per chiarezza, i dati di misurazione dello spostamento del primo canale sono stati spostati verso l'alto di 200 nm. La figura mostra chiaramente che le due deviazioni di spostamento demodulate sono rimaste entro ±2nm, dimostrando che il sistema di demodulazione sincrona di fase interferometrica a doppia lunghezza d'onda FDM ha una buona sincronia tra i due canali di demodulazione di spostamento.

Esperimento di demodulazione dinamica di fase

Per valutare le prestazioni del sistema di rilevamento sincrono di fase dinamico, è stato condotto un esperimento di demodulazione di fase dinamica a due canali. Per gli obiettivi dinamici, la distorsione armonica totale (THD), il rapporto tra l'ampiezza RMS di tutte le armoniche e l'ampiezza della frequenza fondamentale, valuta la non linearità della demodulazione di fase. Poiché l'analisi THD richiede un ingresso a frequenza singola, è stata applicata una tensione sinusoidale per spostare lo specchio di misura M2 a 30 Hz entro un intervallo dinamico di 7rad. Le due fasi demodulate sono state registrate simultaneamente a 10 kHz, come mostrato nella Figura 8. Secondo i risultati dell'analisi THD nella Figura 9, le frequenze fondamentali rilevate della Fase 1 e della Fase 2 erano 29,91Hz e 29,99Hz, con valori THD del 7,65% e del 7,70% e valori SINAD di 21,64dB per entrambe, dimostrando la fattibilità dello schema di rilevamento dinamico della fase sincrona proposto.

Risultati della demodulazione di fase sinusoidale a due canali

Figura 8: Risultati della demodulazione sinusoidale a due canali

Risultati dell'analisi THD

Figura 9: Risultati dell'analisi THD

Risultati sperimentali:

Negli esperimenti di verifica del sistema di demodulazione sincrona di fase interferometrica a doppia lunghezza d'onda FDM:

I risultati degli esperimenti sulla stabilità del sistema sono stati soddisfacenti e hanno soddisfatto le condizioni di misura richieste.

Nell'esperimento di misurazione del nano-spostamento, l'errore massimo di passo era compreso tra ±2nm, con una deviazione standard non superiore a 1nm.

L'esperimento di misurazione dell'errore di non linearità su scala nanometrica ha dimostrato che il metodo presenta un basso errore di non linearità, inferiore a 0,4 nm.

Nell'esperimento di sincronia della demodulazione di spostamento a due canali, la differenza di spostamento demodulato in tempo reale tra i due canali era compresa entro ±2nm, confermando un'elevata sincronia tra i due canali di demodulazione di fase.

Nell'esperimento di demodulazione di fase dinamica, è stata applicata una tensione sinusoidale a variazione lineare per spostare lo specchio di misura a 30 Hz entro un intervallo dinamico di 7rad. Le due fasi demodulate sono state registrate simultaneamente a 10kHz. Le frequenze fondamentali rilevate della Fase 1 e della Fase 2 erano 29,91Hz e 29,99Hz, con valori di THD del 7,65% e 7,70% e valori di SINAD di 21,64dB per entrambe.

Questi esperimenti hanno verificato che il sistema di demodulazione sincrona di fase interferometrica a doppia lunghezza d'onda FDM ha prestazioni eccellenti.

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