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1、超精密激光测距光路及采集系统设计时间 :12-07-18来源 :代写职称论文 作者:职称晋级网 点击: 120次随着现代制造技术精度的不断提高,发展纳米测量技术,建立纳米计量测试标准成为计量与测试技术中十分重要的课题.超精密激光测距光路是随着纳米及微米技术的发展而诞生的一门新兴学科，无论在精细机械加工与微型机电系统，还是在物理精密测量领域上，纳米测量技术都有着广泛的应用.现在能够实现纳米测量的方法主要有：电感电容测微仪、x 射线干涉仪、外差式激光干涉仪、计量型扫描探针显微镜。本论文重点探讨了在纳米测量技术领域目前常用的双频激光外差干涉仪。采用双频激光源的外差干涉仪使光、电信号均成为交流量， 克
2、服了单频激光干涉仪的直流漂移问题，而且使细分变得容易，提高了抗干扰性能。特别是相位测量的外差干涉系统作为一种高精度的测量系统有着广泛的应用。本文首先分析、研究了现有各种测量仪的原理和应用范围，然后提出外差干涉仪，分析了单声光频移器和双声光频移器的优劣，然后提出更易提高精度的光纤结构。本论文以光纤激光外差干涉仪为主，本文为外差测距的第一实验阶段，针对测距精度为10nm ，设计了干涉仪的光学结构与整体参数， 并利用 PCI-6221数据采集卡采集数据，利用 vc 设计了采集程序界面，研制和实现了光纤激光外差干涉仪的测距系统。针对本论文分别进行了系统参数测量实验、激光线宽实验、激光外差干涉信号的测量
3、结果实验。1 绪论1.1 精密距离测量背景介绍随着现代制造技术精度的不断提高,发展纳米测量技术 ,建立纳米计量测试标准是计量与测试技术中十分重要的课题.纳米科学是在纳米尺度和原子尺度上研究物质的特性,相互作用以及如何使用这些特性的多学科交叉的前沿科学.纳米测量技术是随着纳米及微米技术的发展而诞生的一门新兴学科. 纳米科学技术的发展涉及到微电子学,光学 ,材料学 ,机械学 ,生物与生命科学等科学研究和工业领域.它们都要求提供纳米甚至亚纳米计量测试手段.发展与之相适应的纳米计量学理论和能够溯源的纳米,亚纳米计量测试技术已成为一项迫切需要解决的重要任务 .1981年 IBM 公司成功地研制了世界上第
4、一台扫描隧道显微镜STM 使人类有史以来第一次能够实时地观察到单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理化学性质.此后一系列能检测到原子量级的检测技术如原子力显微镜AFM, 扫描近场光学显微镜SNOM, 光子扫描隧道显微镜PSTM, 等相继出现人类可以按自己的意愿直接操纵单个原子或分子从而制造出具有特定功能的产品1.G.Binning和 H.Rohrer也因此而获得了1986年的诺贝尔物理奖. 随着制造技术向着微型化发展,生物技术向着基因组分析方向发展,微电子制造向超大规模集成电路方向发展,这些领域以及MEMS 技术的发展对测量技术提出了纳米测量及计量的要求.如下是几个相关领域在几
5、何尺寸上的进展,从中可以看出对纳米精度测量及校准技术的的发展需求. 纳米测量应用背景 : 精细机械加工与微型机电系统(MEMS): 金刚石刀具切削与金属结合剂砂轮- 镜面磨削技术 ,可以加工出的镜面 ;电子束加工 - 当电子束聚焦成的光束照射敏感材料时,可以刻蚀的线条宽度;离子束加工 - 离子束直径可以达到的数量级,聚焦离子束刻蚀技术已经成功应用于材料表面改性;LIGA技术- 采用深度同步X 射线光刻技术 ,已经制造出最大高度为,高宽比为 ,加工精度为的立体微结构; 铰链连杆机构 - 美国斯坦福大学研制的直径, 长度的铰链连杆 ,转子直径为的静电电机;贝尔实验室开发出直径为的齿轮; 物理学测量
6、需要 :等效原理检验 ,LISA 的引力波检验 ; 纳米测试技术从生产制造的趋势看，每十年要求容许误差降低13，因此要求测量具有越来越高的精度，并可溯源到国际标准(ISO) 。当然，纳米测量也多种多样，有光干涉测量仪、量子干涉仪、电容测微仪、 X 射线干涉仪、频率跟踪式法珀标准量具、扫描隧道显微镜(STM) 、原子力显微镜 (AFM) 、分子测量机M3(molecularmeasuringmachine)等.光栅尺 ,电容传感 . 现在能够实现纳米测量的方法主要有：电感电容测微仪、x 射线干涉仪、外差式激光干涉仪、计量型扫描探针显微镜。x 射线干涉仪由于波长短，可以得到fm 量级的测量精度，
7、但是体积大， 安全性差；电感电容测微仪与计量型扫描探针显微镜由于作用测量体制的原因，作用距离都十分小，不能满足空间激光测量的应用；只有外差式激光干涉仪抗干扰性好，作用距离大，在微纳米数量级的测量精度下，依据激光源的发射功率，可以达到数公里甚至更远的作用距离，非常适用于空间应用。下面介绍几种比较著名的关于精密测量的应用。1. K/Ka波段测距GRACE 计划 : GRACE 卫星已于 2002年 3 月 17 发射入轨。 CRACE 任务的实验目的旨在改进地球重力场模型的精度。CRACE 任务由两颗几乎完全一样的孪生卫星来执行，两颗GRACE 卫星运行在约500km高度的同一个准极轨道平面内，相
8、距约200km。每颗卫星携带四种仪器：一台GPS 接收机，一个KKa 波段微波测距系统，一台星像机( 这三种仪器均与一个公用处理器组装为一体)，一个精密加速度计。GPS 接收机能够跟踪最多l4 颗 GPS 卫星，可获得的双频数据精度与精密测地型地面接收机相当。KKa 波段微波测距系统能实现“m级的测距精度 ( 有一个常值偏差 ) 。加速度计的测量精度高达lmm s。 而星跟踪器的姿态测量精度为 10 。GPS 数据经处理后可用于：(1) 复原地球的长波引力场；(2) 消除星上振荡器长期漂移引起的误差；(3) 使 2 个GRACE 卫星的 KKa 波段测量的定时精度校准到优于01ns 。2. 卫
9、星激光测距：卫星激光测距 (SatelliteLaserRanging,SLR)是 60 年代初由美国宇航局(NASA) 发起的一项旨在利用空间技术来研究地球动力学、大地测量学、地球物理学和天文学等的技术手段。它就是测量激光脉冲在观测站和卫星之间的往返飞行时间,从而计算出卫星到测站的距离。在计算过程中 ,还应对大气中的光速值和卫星的质心等进行精确的修正,并对测量中的光路和电气系统的时延等进行严格的标定。经过 30 多年的发展 ,SLR 已取得了巨大的成绩。观测的精度由最初第一代的几米,提高到现在第三代的几厘米甚至亚毫米; 观测站由原来的只由NASA 支持的几个站壮大到现在的分布于全球近30 个
10、国家的 40 多个观测台站 ; 观测的卫星也由最初的“ 探险者222 号”(BE2B)增加到现在的几十颗。LISA 计划：欧洲航天局与美国航空航天局目前正在设计一个建在太空中的引力波观测台，全称为“ 激光干涉太空天线 ” ，简称 LISA 。计划在 2011 年发射三颗携带激光干涉仪的太空飞行器，这些卫星彼此间的位置将保持固定，其定位精度高达1 微米，这样便构成一个探测臂长达500 万公里的引力波探测器，激光的投射距离相当于地!到月球距离的10 倍以上。这个位于太空中的引力波测量完全解决了目前地面引力波探测仪深受地球表面各种震动干扰的缺憾，能够探测到来自宇宙中频率非常低的微弱引力波。其采用的是
11、激光干涉的方法。1.2 课题的目的及意义我国对干涉仪研究早已重视，清华大学、计量院、机械部成都工具研究所、上海光机所、华中科技大学等开展研制外差激光干涉仪研究工作，至今已经有多年历史。清华大学与成都工具所采用He-Ne激光器作为光源，研制了高精度双频光外差激光测试系统，上海光机所对二极管激光器光源的干涉微纳米测量进行了大量的研究工作；华中科技大学光电子学院在多项微米量级光电检测设备中，应用了激光外差干涉概念，多项测试设备均已经获得良好的应用效果。本课题的主要目的在于研究实现更高精度的激光测距仪器，光外差干涉法（双频激光干涉仪）最初由Crane 于 1969 年提出。光外差干涉仪是激光在计量领域
12、中最成功的应用之一,是工业中最具权威的长度测量仪器。它可用于精密机床、大规模集成电路加工设备等的在线在位测量、误差修正和控制。光外差干涉采用外差干涉测量原理,克服了普通单频干涉仪测量信号直流漂移的问题,具有信号噪声小、 抗环境干扰、 允许光源多通道复用等诸多优点 ,使得干涉测长技术能真正用于实际生产。传统的干涉仪与光外差干涉仪的主要区别是: 1) 前者是以光的波长作为测量的基本单位,后者则是以两列波的合成波长作为测量的基本单位; 2) 前者是通过测量干涉仪的条纹变化对被测对象进行测量,后者则是利用计算确定合成波长条纹的整数级次,干涉仪测量其小数级次。双频激光干涉仪干涉仪的理论基础是小数重合法,
13、该方法 1892 年贝诺瓦首次在干涉度量学中使用,1977年 Tilford作了进一步的发展。这方面已经在实验室中进行了大量的研究工作,先后开展了多波长CO2 、He-Xe 、He-Ne 、染料、半导体激光绝对距离测量方面的研究。在80 年代后期 , 开始了结构简单、更有实用性的双频激光干涉仪的研究。光外差干涉仪的发展光外差干涉仪已成为精密测量中广泛应用的仪器,国内外许多公司都有商品化仪器出售。近年来,随着科学技术的发展,人们对测量工具也提出了更高的要求。为迎合新的测量要求,光外差干涉仪也相应向高分辨率、高精度等几个方向发展。(1) 高分辨率仅依靠光学系统 ,普通干涉仪只能达到半波长的分辨率,
14、即 0.1量级 ,目前的干涉仪产品通过电子细分的方法提高测量分辨率。当然 ,通过增大电子细分数实现高分辨率,细分数越大 ,出现的相对误差也就越大. (2) 高精度纳米精度的条件下 ,出现大量科学与技术问题有待解决,诸如 :非线性误差 6(对半个波长分割的不均匀性)、空气折射率影响、温度压力效应、 环境振动影响等问题。非线性误差对于纳米溯源的影响十分严重,因为它发生在半个波长的位移内,即在非常短的量程内也照样存在。双频干涉仪首先被发现有非线性误差。可由“ 李萨如 ” 圆的椭圆化程度判断非线性误差,从而用专门的电路加以校正。修正后可以达到2。光外差检测条件，信号的输出电流与因子成正比；因此，要得到
15、大的输出，就希望上述因子有大的值；只有当因子约为1；即波长越a) 空间条件：信号光与参考光在光混频器表面保持相同的位相关系波前重合；如果信号光与参考光的夹角为长，光电探测器尺寸越小，所容许的失配角越大。b) 频率条件：要求光源具有高度的单色性与频率稳定性；c) 偏振条件：信号与参考光的偏振方向一致；在探测器前加偏振片。1.3 课题任务及系统配置课题的主要任务是设计光学系统和对采集数据的软件界面进行设计。光学系统设计要求如下：（1） 精度：主要是在总体误差下，系统要能够达到测量精度（10nm ）的标准（2） 功率（能否实现）：主要是针对光纤激光器的出射功率在传播过程中的消耗问题（3） 减小环境影
16、响，同光路设计软件界面的设计要求如下（1） 简洁明快的设计风格（2） 采样数据的正确性课题中主要用到的仪器和设备如下：光纤激光器，声光频移器，若干光纤器件，PCI6221 数据采集卡2 系统结构本系统按照功能划分可以分为几个相对独立的部分，各个部分既有紧密联系又相互独立。每个部分分别完成不同的任务，在研制过程中可以在各部分的功能明确后进行分别研究，最后综合各个部分再进行联调，组成完整的测量系统。（1）光学部分光学部分包含了窄线宽激光器和光路两部分内容。系统要求激光器具有较强的功率和窄线宽，其中功率是为了最后获得信号的方便和误差的减少，窄线宽则是为了系统的精度。本系统采用的是光外差法测距，是目前国际上精度最高的测距方法。（2）硬件部分硬件部分是处理整个系统结果的重要组成部分，其处理方式和精度直接影响到最终的结果。（4）软件部分软件通过 PCL6221 采集卡和来实现对数据的采集操作。软件部分主要有两个功能：一是将采集来的数据进行处理、分析，并通过计算机界面显示给操作人员；二是通过在人机界面上设置相应的功能对整个系统的各种器件进行控制。
