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Investigación sobre el método de demodulación síncrona de fase interferométrica multi-longitud de onda

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Investigación sobre el método de demodulación síncrona de fase interferométrica multi-longitud de onda

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Título del experimento: Investigación sobre el método de demodulación síncrona de fase interferométrica multi-longitud de onda basado en la modulación discreta de fase láser

Campo de investigación: Medición láser

Propósito de la prueba:

En la medición de longitudes, la Medición Absoluta de Distancias (ADM) permite una medición de distancias de alta precisión, gran alcance e instantánea. A diferencia de la medición de desplazamiento relativo (RDM), no requiere el recuento continuo de franjas de interferencia para una medición precisa. La ADM se utiliza ampliamente en la fabricación de equipos de gama alta, la inspección de grandes componentes mecánicos y el ensamblaje de aeronaves. La interferometría multi-longitud de onda es un método ADM fundamental y ampliamente utilizado, en el que la demodulación precisa de las fases de interferencia multi-longitud de onda es una cuestión clave.

Equipo de ensayo: Amplificador de alto voltaje ATA-2082, láser, placa de media onda, divisor de haz, interferómetro de Michelson, prisma cúbico de esquina de medición, etapa lineal de nanoposicionamiento, sensor capacitivo sin contacto, reflector, fotodetector.

Configuración del experimento de interferometría de doble longitud de onda FDM

Configuración del experimento de interferometría de doble longitud de onda FDM

Figura: Configuración del experimento de interferometría de doble longitud de onda FDM

Proceso del experimento:

Utilizando como ejemplo el método de demodulación síncrona de fase interferométrica de doble longitud de onda FDM, se llevaron a cabo análisis de simulación y verificación experimental. Se construyó el montaje de medición interferométrica de longitud de onda dual FDM propuesto y se llevaron a cabo varios experimentos, incluyendo la estabilidad del sistema, la medición de nanodesplazamiento, el error de no linealidad de nanopaso, la sincronicidad de demodulación de desplazamiento de doble canal y los experimentos de demodulación de fase dinámica.

Para centrarse en el rendimiento de la demodulación de fase interferométrica multi-longitud de onda, se utilizaron dos láseres He-Ne de frecuencia estabilizada (632,991nm, 633,429nm) en espacio libre. Se llevaron a cabo experimentos como la medición del nanodesplazamiento para analizar la precisión de la demodulación de fase y el error de no linealidad. En el montaje, dos placas de media onda (HWP) fijaron la dirección de polarización del haz láser a 45° con respecto al eje óptico del EOM (EO-PM-NR-C1, Thorlabs). Dos EOM modulaban en fase los dos haces láser a diferentes frecuencias, que se combinaban en un divisor de haz (BS). En el interferómetro de Michelson, el prisma cúbico angular de medición (M2) se instaló en una platina lineal de nanoposicionamiento. Un sensor capacitivo sin contacto midió el desplazamiento. La platina lineal tiene una resolución subnanométrica, una repetibilidad de ±1 nm, un rango de desplazamiento de bucle cerrado de 15μm y un error de linealidad del 0,03%. La señal láser interferométrica FDM, reflejada por un reflector (R2), fue detectada por un fotodetector. Una tarjeta de desarrollo ADC&DAC personalizada basada en FPGA procesó las señales, incluyendo la generación de señales de modulación de fase, la adquisición de señales interferométricas FDM y la demodulación de las fases de interferencia. Las señales de modulación de fase generadas, amplificadas por un amplificador de alto voltaje de doble canal (ATA-2082, Aigtek), controlaban los moduladores electroópticos (EOM). Las señales de modulación de fase y los ajustes del filtro de paso bajo coincidían con las señales simuladas (ω1=146kHz, ω2=195kHz, ωt=100Hz, ωL=49kHz). El ajuste de la ganancia del amplificador de alto voltaje fijó la profundidad de modulación de fase sinusoidal de ambas EOM en aproximadamente 2rad.

Experimento de estabilidad

Para comprobar la estabilidad del sistema de demodulación síncrona de fase interferométrica FDM cuando el espejo de medición M2 está estacionario, se aplicó una modulación compuesta de onda sinusoidal y triangular al MOE, y se registraron los dos cambios de fase de demodulación de la señal interferométrica. Los resultados se muestran en la figura 2.

Resultados del experimento de estabilidad

Figura 2: Resultados del experimento de estabilidad

Según la figura 2, durante una hora, las dos fases cambiaron aproximadamente 70°, con un cambio por minuto de aproximadamente 1,2°. Dado que los experimentos interferométricos de demodulación de fase suelen completarse en milisegundos, el impacto de la deriva del blanco en los resultados de las mediciones interferométricas de longitud de onda múltiple es insignificante.

Experimento de medición por pasos

Para evaluar la precisión de la medición del desplazamiento en la nanoescala del sistema de demodulación sincrónica de fase interferométrica de doble longitud de onda FDM, primero se ajustó la trayectoria óptica para garantizar que el fotodetector recibiera señales interferométricas normales. Se ajustó el mando de ganancia del fotodetector para ajustar la intensidad de la señal de medición del desplazamiento a un nivel adecuado. El espejo de medición se instaló en un actuador lineal de precisión P-753.1CD con un recorrido de 15μm y una precisión de posicionamiento repetible de ±1nm. Partiendo de 0, el espejo avanzó en incrementos de 10 nm hasta 1μm (100 puntos), con la velocidad de avance de la platina fijada en 1μm/s. El software de control del PC registró de forma sincrónica el desplazamiento demodulado y la posición del actuador P-753.1CD. Los resultados se muestran en las figuras 3 y 4.

Resultados del experimento de paso del primer canal

Figura 3: Resultados del experimento por pasos del primer canal

Resultados del experimento por pasos del segundo canal

Figura 4: Resultados del experimento por pasos del segundo canal

Para mayor claridad, los datos de medición de desplazamiento se desplazaron 2μm hacia arriba. Las desviaciones máximas entre los datos de medición de desplazamiento lineal del sistema y los datos de posicionamiento del accionador P-753.1CD fueron de 1,64 nm y 1,61 nm, ambas dentro de ±2 nm. Las desviaciones estándar fueron de 0,81 nm y 0,75 nm, ambas dentro de 1 nm, lo que indica que el sistema de demodulación síncrona de fase interferométrica de doble longitud de onda FDM consigue una precisión de medición a nanoescala.

Experimento de medición del error de no linealidad

Para medir el error de no linealidad del sistema de demodulación síncrona de fase interferométrica de doble longitud de onda FDM, se instaló el espejo de medición en un actuador lineal de precisión P-753.1CD con un recorrido de 15μm y una precisión de posicionamiento repetible de ±1nm. Partiendo de 0, el espejo avanzó en incrementos de 10 nm hasta 3μm (300 puntos), con la velocidad de avance de la platina fijada en 1μm/s. En cada paso, se registraron la posición de la platina en tiempo real y los valores de desplazamiento demodulados hasta el final de la medición. Los dos resultados de la demodulación del desplazamiento se muestran en las figuras 5 y 6. Las figuras 5(a) y 6(a) muestran los valores de medición del desplazamiento demodulado del sistema, la posición de la platina de precisión y los valores de error en cada paso. Las figuras 5(b) y 6(b) muestran los resultados del análisis FFT de los valores de error.

Medición del error de no linealidad del primer canal y resultados del análisis FFT

Figura 5: Medición del error de no linealidad del primer canal y resultados del análisis FFT

Medición del error de no linealidad del segundo canal y resultados del análisis FFT

Figura 6: Medición del error de no linealidad del segundo canal y resultados del análisis FFT

Los cambios ambientales externos, como la temperatura y la concentración de CO2, y la desviación angular entre la dirección de movimiento del P-753.1CD y la dirección del haz, introducen errores lineales, no errores no lineales. Las figuras 5 y 6 muestran los errores de desplazamiento tras la eliminación de los errores lineales. La operación arctangente en algoritmos de demodulación de fase puede introducir errores no lineales con un periodo π. Si la demodulación de fase presenta errores no lineales, aparecería un pico en el segundo componente armónico. Sin embargo, en el análisis FFT de las desviaciones de desplazamiento de las figuras 5 y 6, los errores no lineales en el segundo componente armónico fueron inferiores a 0,3 nm para ambos desplazamientos. El mayor error no lineal de 0,6 nm en la franja de primer orden (periodo 2π) se debió a la fuga de polarización en el PBS del montaje experimental, no al sistema de demodulación de fase, lo que indica que el sistema de demodulación síncrona de fase interferométrica de doble longitud de onda FDM tiene un error no lineal bajo.

Experimento de sincronía de demodulación por desplazamiento de dos canales

Para comprobar la coherencia de los dos canales de demodulación de fase en el sistema de demodulación síncrona de fase interferométrica de doble longitud de onda FDM, el espejo de medición se instaló en un actuador lineal de precisión P-753.1CD con un recorrido de 15μm y una precisión de posicionamiento repetible de ±1nm. Partiendo de 0, el espejo se desplazó en incrementos de 10 nm hasta 500 nm (50 puntos), con la velocidad de desplazamiento de la platina fijada en 1μm/s. En cada paso, se registraron la posición de la platina en tiempo real y los valores de desplazamiento demodulados hasta el final de la medición. En la figura 7 se muestran los dos resultados de la demodulación del desplazamiento y sus diferencias.

Experimento de sincronización de demodulación de fase de dos canales

Figura 7: Experimento de sincronización de demodulación de fase de dos canales

Para mayor claridad, los datos de medición del desplazamiento del primer canal se desplazaron 200 nm hacia arriba. La figura muestra claramente que las dos desviaciones de desplazamiento demoduladas se mantuvieron dentro de ±2nm, lo que demuestra que el sistema de demodulación síncrona de fase interferométrica de doble longitud de onda FDM tiene una buena sincronicidad entre los dos canales de demodulación de desplazamiento.

Experimento de demodulación dinámica de fase

Para evaluar el rendimiento de la detección sincrónica de fase dinámica del sistema, se llevó a cabo un experimento de demodulación de fase dinámica de dos canales. Para los objetivos dinámicos, la distorsión armónica total (THD), la relación entre la amplitud RMS de todos los armónicos y la amplitud de la frecuencia fundamental, evalúa la no linealidad de la demodulación de fase. Dado que el análisis de THD requiere una entrada de frecuencia única, se aplicó una tensión sinusoidal para mover el espejo de medición M2 a 30 Hz dentro de un rango dinámico de 7 rad. Las dos fases demoduladas se registraron simultáneamente a 10 kHz, como se muestra en la figura 8. Según los resultados del análisis THD de la Figura 9, las frecuencias fundamentales detectadas de la Fase 1 y la Fase 2 fueron 29,91Hz y 29,99Hz, con valores THD de 7,65% y 7,70%, y valores SINAD de 21,64dB para ambas, lo que demuestra la viabilidad del esquema dinámico de detección síncrona de fase propuesto.

Resultados de la demodulación de fase sinusoidal de dos canales

Figura 8: Resultados de la demodulación de fase sinusoidal de dos canales

Resultados del análisis THD

Figura 9: Resultados del análisis de THD

Resultados experimentales:

En los experimentos de verificación del sistema de demodulación síncrona de fase interferométrica de doble longitud de onda FDM:

Los resultados del experimento de estabilidad del sistema fueron satisfactorios, cumpliendo las condiciones de medida requeridas.

En el experimento de medición del nanodesplazamiento, el error de paso máximo fue de ±2 nm, con una desviación estándar no superior a 1 nm.

El experimento de medición del error de no linealidad a escala nanométrica demostró que el método tiene un error de no linealidad bajo, inferior a 0,4 nm.

En el experimento de sincronicidad de demodulación de desplazamiento de dos canales, la diferencia de desplazamiento demodulado en tiempo real entre los dos canales fue de ±2 nm, lo que confirma la alta sincronicidad entre los dos canales de demodulación de fase.

En el experimento de demodulación de fase dinámica, se aplicó una tensión sinusoidal que variaba linealmente para mover el espejo de medición a 30 Hz dentro de un rango dinámico de 7rad. Las dos fases demoduladas se registraron simultáneamente a 10kHz. Las frecuencias fundamentales detectadas de la Fase 1 y la Fase 2 fueron 29,91Hz y 29,99Hz, con valores de THD de 7,65% y 7,70%, y valores de SINAD de 21,64dB para ambas.

Estos experimentos verificaron que el sistema de demodulación síncrona de fase interferométrica de doble longitud de onda FDM tiene unas prestaciones excelentes.

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