浙江理工大学 信息科学与工程学院，浙江杭州310018
针对激光外差干涉仪测量过程中测量镜随被测对象旋转而导致的位移测量误差，提出了一种基于卡尔曼滤波的激光外差干涉位移测量补偿方法。根据测量镜转角和测量光束光斑位置变化对应关系，利用位置敏感探测器（PSD）和位置电压信号卡尔曼滤波方法测得降噪后的光斑位置变化，从而获得更为准确的转角测量结果，最后根据转角与位移的解耦数学模型利用测得的转角进行位移补偿。为验证滤波算法和位移补偿方法的可行性和有效性，搭建激光外差干涉测量实验装置，分别进行光斑位置稳定性测量实验、角度测量验证实验和激光外差干涉位移测量补偿实验。实验结果表明：经卡尔曼滤波降噪后系统装置测得的光斑位置抖动标准差从0.52 μm降至0.18 μm，测量的转角与索雷博六自由度转台的转角偏差在±1.38×10-4°内，对M-531.DD线性导轨200 mm量程内的位移和转角进行测量，将测得的转角进行位移补偿后，系统的位移测量结果与M-531.DD线性导轨位移的标准差从1.55 μm减小到0.29 μm。
激光外差干涉 位移测量 误差补偿 卡尔曼滤波 laser heterodyne interferometry displacement measurement error compensation Kalman filtering
浙江理工大学精密测量技术实验室，浙江 杭州 310018
针对Pound-Drever-Hall（PDH）技术存在的线性动态范围窄、抗干扰能力弱的问题，提出一种基于双调制深度+双误差信号的PDH稳频方法。首先采用数字正交解调技术精确提取干涉信号相位以实现本振信号相位和干涉信号相位的自动匹配；然后利用透射功率信号和传统误差信号构建一个新误差信号，以扩大PDH稳频系统的线性动态范围；接着，采用大调制深度对应的新误差信号实现快速捕获和预锁定；最后，采用小调制深度对应的误差信号实现精确锁定。锁定后，可根据幅值变化自动切换调制深度和误差信号，实现大线性动态范围和高灵敏度的PDH稳频。研制了基于现场可编辑逻辑门阵列（FPGA）的稳频控制系统，对法布里-珀罗腔进行了锁定测试。实验结果表明，双调制深度+双误差信号的自适应锁定机制可极大地提高锁定系统的抗干扰能力，且锁定精度高，3小时腔长相对稳定度达5.72×10-9，所提方法可以广泛应用于激光频率/谐振腔锁定等领域。
Pound-Drever-Hall稳频 线性动态范围 法布里-珀罗腔 相位匹配 数字正交解调 光学学报
2023, 43(19): 1907001
1 浙江理工大学纳米测量技术实验室，浙江 杭州 310018
2 中国计量科学研究院，北京 100029
3 中国计量大学计量测试工程学院，浙江 杭州 310018
为了解决外差干涉相位测量中多通道采样信号间的串扰误差对相位测量精度的影响，提出了一种基于采样信号频谱分析的预补偿方法来实现信号串扰误差的补偿和消除。首先建立基于锁相放大的正交鉴相法的信号串扰误差理论模型，阐明了串扰系数、输入信号幅值比和串扰信号相位偏移对相位测量误差的影响；设计仿真实验验证了该误差模型和补偿方法的有效性；然后基于紧凑型FPGA开发平台设计了相位测量实验，结果表明该补偿方法能够有效消除信号串扰误差的影响，补偿后相位测量的最大误差从0.34°下降到0.01°；最后搭建了外差干涉仪并与高精度的压电位移平台进行比对，实验结果表明补偿后的信号处理系统能够满足外差干涉测量的应用需求。
测量 外差干涉 正交鉴相 信号串扰 频谱分析 位移测量 中国激光
2023, 50(10): 1004001
浙江理工大学纳米测量技术实验室，浙江 杭州 310018
针对空气折射率测量中Edlén公式法测量精度受限于传感器精度，以及固定长度真空腔的激光干涉法条纹整周期难以确定的问题，提出了一种融合激光单频干涉和PTF传感的空气折射率测量方法。设计了基于固定长度单真空腔的正弦相位调制激光干涉空气折射率测量光路。利用低精度传感器获得的空气折射率预测值来确定干涉条纹整数，采用PGC-Arctan算法精确解调干涉信号相位来获得小数干涉条纹，实现空气折射率的大范围高精度实时测量。搭建了实验装置，开展了与Edlén公式法的空气折射率测量比对实验。实验结果显示，在12 min和1 h内，两种方法测得结果具有较好的一致性，两者偏差的标准偏差分别为1.5×10-8和2.3×10-8，表明本文方法可应用于激光干涉精密位移测量中空气折射率的实时补偿。
测量 空气折射率测量 激光单频干涉 Edlén公式法 正弦相位调制 激光与光电子学进展
2023, 60(5): 0512001
浙江理工大学纳米测量技术实验室, 浙江 杭州 310018
针对载波相位延迟和调制深度漂移对正弦相位调制干涉仪中相位解调精度的影响,提出一种基于卡尔曼滤波的相位生成载波(PGC)解调非线性误差补偿方法。首先建立由PGC正交分量参数构成的卡尔曼滤波状态空间观测模型。然后对PGC解调的正交分量幅值和偏置进行最优估计与修正,减小相位解调的非线性误差。最后理论分析阐述该补偿方法的原理,开展模拟干涉信号的相位解调仿真测试和正弦相位调制干涉位移测量实验。实验结果表明:提出的方法能够有效减小PGC相位解调非线性误差,实现纳米级精度的位移测量。
测量 正弦相位调制干涉仪 相位生成载波 非线性误差 卡尔曼滤波
浙江理工大学纳米测量技术实验室, 浙江 杭州 310018
为了改善半导体激光光束质量,使其能够满足大距离高精度干涉测量的要求,使用空间光调制器对半导体激光光束进行整形,提出了一种基于复振幅调制算法的光束整形方法。利用该方法可将半导体激光光束整形为准直性好、光强分布均匀的无像散基模高斯光束。通过光束质量分析对整形后的光束进行评估,实验结果显示整形后半导体激光光束在x和y方向的M2因子均趋于1,像散接近于0,验证了该光束整形方法的有效性。将提出的半导体激光光束整形方法应用于大距离干涉测量中,在8 m处进行了微米级步进位移测量,与纳米位移工作台相比,所得结果达到了亚波长的测量精度。实验结果表明整形后的光束能够满足大距离高精度干涉测量的要求,验证了提出的半导体激光光束整形方法的可行性。
激光光学 半导体激光器 激光光束整形 空间光调制器 复振幅调制
1 浙江理工大学纳米测量技术实验室, 浙江 杭州 310018
2 清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 北京 100084
描述了激光合成波长纳米测量干涉仪的测量原理,分析了非线性误差对该干涉仪的影响,得出了由偏振光非正交、椭偏化和光学元件偏振非正交及椭偏化等对该干涉仪造成的非线性误差为偏振态误差的二阶或高阶小量。进行了激光合成波长纳米测量干涉仪和激光外差干涉仪的对比实验,结果表明激光合成波长纳米测量干涉仪的最大误差为2.1 nm,优于激光外差干涉仪的最大误差7.5 nm,验证了激光合成波长纳米测量干涉仪的优越性。
测量 干涉仪 合成波长 非线性误差 偏振光非正交
1 中国计量学院计量与测控系,杭州 310034
2 浙江大学机械工程学系,杭州 310027
提出了研究对象非线性动态特性的逆推演新方法,它的特点是从已知对象的非微分方程解析解导出该对象可能的微分方程,从而开拓它的解域或解空间,或者说恢复丢失的解。同时讨论了当对象为法布里珀罗干涉(F-P)或迈克耳孙干涉时该方法的应用过程,并且对法布里珀罗定义新的不透过系数(u=1/τ),从而给出更简洁和易分析的对象动态特性微分方程,以及由此导出测量法布里珀罗干涉相位的过程。值得注意的是由新方法导出的微分方程揭示对象更一般的时空演化特征,而且在现有的经验和知识基础上可以进一步唯象地拓展至其他可能的非线性形式,从而使对象的表达方式更接近它的实际情况。
不透过度 非线性 动态特性
