基于偏频锁定的激光合成波长干涉纳米位移测量技术研究

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1、ZSTUZhejiangSci-TechUniversity硕士学位论文Master’sThesis中文论文题目：基于偏频锁定的激光合成波长干涉纳米位移测量技术研究英文论文题目：Studyonnanometerdisplacementmeasurementwithlasersyntheticwavelengthinterferometerbasedonoffset-frequencylocking学科专业：控制科学与工程作者姓名：吴凯悦指导教师：陈本永教授完成日期：2018年4月18日浙江理工大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论

2、文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论。除了文中特别加以标注和致谢的地方外文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：签字曰期：牙年＜月７曰ｔ学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解浙江理工大学有权保留并向囯家有关。部门或机构送交本论文＾复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授叔浙江理工大学可以将学位论文的全

3、部或部分内容编入有关、数据库进行检索和传播，可以釆用影印缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位＾文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：签字曰期：州？年６月７曰导师签名：严签字日期仏月日丨｜年＾浙江理工大学硕士学位论文基于偏频锁定的激光合成波长干涉纳米位移测量技术研究摘要激光干涉测量技术因高测量精度、高测量分辨率和大测量范围的优点，在纳米位移测量领域有着日益广泛的应用，是推动微电子制造、超精密加工等高端装备制造行业发展的一项基础关键技术。因此开展高精度的激光干涉纳米位移测量技术研究具有重要的研

4、究意义与应用价值。本文以激光合成波长干涉仪为研究对象，从提高激光波长稳定度出发，旨在进一步提高激光合成波长干涉纳米位移测量精度。论文介绍了纳米位移测量技术和激光稳频方法的国内外研究现状，描述了激光合成波长干涉纳米位移测量原理，详细分析了激光单波长和合成波长的稳定性对激光合成波长干涉纳米位移测量不确定度的影响，引出了采用稳频措施提高单波长和合成波长稳定度的必要性，提出了利用激光偏频锁定技术构建稳定的合成波长以提高激光合成波长干涉纳米位移测量精度的方法。基于偏频锁定原理，研究了电光相位调制边带锁定和光锁相环偏频锁定的实现方法，通过将可调谐激光器

5、以65MHz小偏频锁定至碘稳频He-Ne激光250MHz相位调制生成的+3阶边带，构建了频差为815MHz且具有高稳定度的合成波长稳频光源。提出了基于DDS的相位差直接解调的干涉信号处理方法，解决了干涉信号直流漂移与幅值波动导致相位差测量误差的问题，保证了小数位移的高精度测量。采用基于CORDIC算子的反正切运算粗测干涉条纹的大数计数值，提出了一种根据小数位移修正粗测大数位移以实现大小数正确整合的干涉信号处理方法，解决了当被测位移为接近干涉条纹整数倍时易出现大数计数错误的问题。研制了基于SoC的干涉信号处理下位机系统和基于LabVIEW的上

6、位机系统，实现了合成波长测量功能与位移测量功能。最后搭建了系统整体实验装置，通过频率稳定性测量、合成波长稳定性测量与位移测量三个实验对本文所述的基于偏频锁定的激光合成波长干涉纳米位移测量方法进行了验证。频率稳定性测量实验结果表明，激光偏频锁定装置构建了频差为815MHz、单波长稳-8-11-2-5定性从2×10提高至1.7×10@1s、合成波长稳定性从1.2×10提高至1.4×10@1s的双频光源，在毫米测量范围内引入的位移测量不确定度从纳米级降至皮米级，验证了该激光偏频锁定方法的有效性。合成波长稳定性测量实验结果表明，干涉光路中不共光路引

7、起的死区误差和偏振分光镜安装误差与偏振泄露引起的非线性误差是影响合成波长测量误差的主要因素，在毫米量程内光源波长不稳定和合成波长测量误差实际综合引入的位移测量不确定度最大值为0.4nm。纳米级步进位移测量与微米级重复位移测量的误差平均值与误差标准差均位于±1nm范围内，这些位移测量实验结果表明基于偏频锁定的激光合成波长I浙江理工大学硕士学位论文基于偏频锁定的激光合成波长干涉纳米位移测量技术研究干涉纳米位移测量系统在纳米级、微米级测量范围内具有亚纳米级的位移测量不确定度，综合验证了本文所述用于稳定合成波长的偏频锁定方法和所述激光合成波长干涉信

8、号处理方法的可行性和有效性。关键词：纳米位移测量；激光合成波长干涉仪；偏频锁定；电光相位调制；光锁相环；干涉信号处理II浙江理工大学硕士学位论文基于偏频锁定的激光合成波长干涉纳米