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Recherche sur la méthode de démodulation synchrone de phase interférométrique multi-longueurs d'onde

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Recherche sur la méthode de démodulation synchrone de phase interférométrique multi-longueurs d'onde

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Titre de l'expérience : Recherche sur la méthode de démodulation interférométrique synchrone de phase multi-longueurs d'onde basée sur la modulation discrète de phase laser

Domaine de recherche : Mesure des lasers

Objectif du test :

Dans le domaine de la mesure de la longueur, la mesure absolue de la distance (ADM) permet une mesure de la distance instantanée, de grande précision et à grande échelle. Contrairement à la mesure de déplacement relatif (RDM), elle ne nécessite pas le comptage continu des franges d'interférence pour une mesure précise. L'ADM est largement utilisé dans la fabrication d'équipements haut de gamme, l'inspection de grands composants mécaniques et l'assemblage d'aéronefs. L'interférométrie multi-longueurs d'onde est une méthode ADM fondamentale et largement utilisée, où la démodulation précise des phases d'interférence multi-longueurs d'onde est une question clé.

Équipement de test : Amplificateur haute tension ATA-2082, laser, lame demi-onde, séparateur de faisceau, interféromètre de Michelson, prisme cubique de mesure, étage linéaire de nano-positionnement, capteur capacitif sans contact, réflecteur, photodétecteur.

Montage de l'expérience d'interférométrie à double longueur d'onde FDM

Dispositif d'interférométrie à double longueur d'onde FDM

Figure : Dispositif d'interférométrie à double longueur d'onde FDM

Processus expérimental :

L'analyse de simulation et la vérification expérimentale ont été effectuées en prenant comme exemple la méthode de démodulation synchrone de phase interférométrique FDM à double longueur d'onde. Le dispositif de mesure interférométrique FDM à double longueur d'onde proposé a été construit et plusieurs expériences ont été menées, notamment sur la stabilité du système, la mesure du nanodéplacement, l'erreur de non-linéarité au niveau du nanopas, la synchronisation de la démodulation du déplacement à deux canaux et les expériences de démodulation dynamique de la phase.

Pour se concentrer sur les performances de la démodulation de phase interférométrique multi-longueurs d'onde, deux lasers He-Ne stabilisés en fréquence (632,991nm, 633,429nm) en espace libre ont été utilisés. Des expériences telles que la mesure du nanodéplacement ont été menées pour analyser la précision de la démodulation de phase et l'erreur de non-linéarité. Dans l'installation, deux plaques demi-onde (HWP) fixent la direction de polarisation du faisceau laser à 45° par rapport à l'axe optique de l'EOM (EO-PM-NR-C1, Thorlabs). Deux EOM ont modulé en phase les deux faisceaux laser à des fréquences différentes, qui ont été combinés au niveau d'un séparateur de faisceau (BS). Dans l'interféromètre de Michelson, le prisme cubique de mesure (M2) a été installé sur une platine linéaire à nano-positionnement. Un capteur capacitif sans contact a mesuré le déplacement. La platine linéaire a une résolution inférieure au nanomètre, une répétabilité de ±1nm, une plage de déplacement en boucle fermée de 15μm et une erreur de linéarité de 0,03 %. Le signal laser interférométrique FDM, réfléchi par un réflecteur (R2), a été détecté par un photodétecteur. Une carte de développement ADC&DAC basée sur un FPGA personnalisé a traité les signaux, y compris la génération de signaux de modulation de phase, l'acquisition de signaux interférométriques FDM et la démodulation des phases d'interférence. Les signaux de modulation de phase générés, amplifiés par un amplificateur haute tension à deux canaux (ATA-2082, Aigtek), ont alimenté les modulateurs électro-optiques (EOM). Les signaux de modulation de phase et les réglages du filtre passe-bas correspondaient aux signaux simulés (ω1=146kHz, ω2=195kHz, ωt=100Hz, ωL=49kHz). Le réglage du gain de l'amplificateur haute tension a permis de régler la profondeur de modulation de phase sinusoïdale des deux EOM à environ 2rad.

Expérience de stabilité

Pour tester la stabilité du système de démodulation interférométrique synchrone de phase FDM lorsque le miroir de mesure M2 est stationnaire, une modulation composite sinusoïdale et triangulaire a été appliquée à l'EOM, et les deux changements de phase de démodulation du signal interférométrique ont été enregistrés. Les résultats sont présentés à la figure 2.

Résultats de l'expérience de stabilité

Figure 2 : Résultats de l'expérience de stabilité

D'après la figure 2, en une heure, les deux phases ont changé d'environ 70°, avec un changement par minute d'environ 1,2°. Étant donné que les expériences de démodulation de phase interférométrique se terminent généralement en quelques millisecondes, l'impact de la dérive de la cible sur les résultats des mesures interférométriques à longueurs d'onde multiples est négligeable.

Expérience de mesure par paliers

Pour évaluer la précision de la mesure de déplacement à l'échelle nanométrique du système de démodulation interférométrique synchrone de phase FDM à double longueur d'onde, le chemin optique a d'abord été ajusté pour s'assurer que le photodétecteur recevait des signaux interférométriques normaux. Le bouton de gain du photodétecteur a été ajusté pour régler l'intensité du signal de mesure du déplacement à un niveau approprié. Le miroir de mesure a été installé sur un actionneur linéaire de précision P-753.1CD avec une course de 15μm et une précision de positionnement répétable de ±1nm. Partant de 0, le miroir a progressé par incréments de 10 nm jusqu'à 1μm (100 points), la vitesse de pas de la platine étant réglée à 1μm/s. Le logiciel de contrôle PC a enregistré de manière synchronisée le déplacement démodulé et la position de l'actionneur P-753.1CD. Les résultats sont présentés dans les figures 3 et 4.

Résultats de l'expérience de pas de la première voie

Figure 3 : Résultats de l'expérience par étapes de la première voie

Résultats de l'expérience du deuxième canal par étapes

Figure 4 : Résultats de l'expérience du deuxième canal

Pour plus de clarté, les données de mesure du déplacement ont été décalées vers le haut de 2μm. Les écarts maximaux entre les données de mesure du déplacement linéaire du système et les données de positionnement de l'actionneur P-753.1CD étaient de 1,64 nm et 1,61 nm, tous deux à ±2 nm. Les écarts types étaient de 0,81 nm et 0,75 nm, tous deux à 1 nm près, ce qui indique que le système de démodulation interférométrique synchrone de phase FDM à double longueur d'onde atteint une précision de mesure à l'échelle nanométrique.

Expérience de mesure de l'erreur de non-linéarité

Pour mesurer l'erreur de non-linéarité du système de démodulation synchrone de phase interférométrique à double longueur d'onde FDM, le miroir de mesure a été installé sur un actionneur linéaire de précision P-753.1CD avec une course de 15μm et une précision de positionnement répétable de ±1nm. En partant de 0, le miroir a progressé par incréments de 10 nm jusqu'à 3μm (300 points), la vitesse de la platine étant réglée à 1μm/s. À chaque étape, la position de la platine en temps réel et les valeurs de déplacement démodulées ont été enregistrées jusqu'à la fin de la mesure. Les deux résultats de démodulation de déplacement sont présentés dans les figures 5 et 6. Les figures 5(a) et 6(a) montrent les valeurs de mesure du déplacement démodulé du système, la position de la platine de précision et les valeurs d'erreur à chaque étape. Les figures 5(b) et 6(b) montrent les résultats de l'analyse FFT des valeurs d'erreur.

Mesure de l'erreur de non-linéarité de la première voie et résultats de l'analyse FFT

Figure 5 : Mesure de l'erreur de non-linéarité de la première voie et résultats de l'analyse FFT

Résultats de la mesure de l'erreur de non-linéarité du deuxième canal et de l'analyse FFT

Figure 6 : Mesure de l'erreur de non-linéarité du deuxième canal et résultats de l'analyse FFT

Les changements environnementaux externes, tels que la température et la concentration de CO2, ainsi que l'écart angulaire entre la direction du mouvement du P-753.1CD et la direction du faisceau, introduisent des erreurs linéaires, et non des erreurs non linéaires. Les figures 5 et 6 montrent les erreurs de déplacement après élimination des erreurs linéaires. L'opération de l'arctangente dans les algorithmes de démodulation de phase peut introduire des erreurs non linéaires avec une période de π. Si la démodulation de phase présente des erreurs non linéaires, un pic apparaîtrait au niveau de la deuxième composante harmonique. Cependant, dans l'analyse FFT des écarts de déplacement des figures 5 et 6, les erreurs non linéaires de la composante harmonique étaient inférieures à 0,3 nm pour les deux déplacements. L'erreur non linéaire plus importante de 0,6 nm au niveau de la frange de premier ordre (période de 2π) était due à une fuite de polarisation dans le PBS de la configuration expérimentale, et non au système de démodulation de phase, ce qui indique que le système de démodulation interférométrique synchrone de phase FDM à double longueur d'onde a une faible erreur non linéaire.

Expérience de synchronisation de la démodulation de déplacement à deux canaux

Pour tester la cohérence des deux canaux de démodulation de phase dans le système de démodulation synchrone de phase interférométrique à double longueur d'onde FDM, le miroir de mesure a été installé sur un actionneur linéaire de précision P-753.1CD avec une course de 15μm et une précision de positionnement répétable de ±1nm. En partant de 0, le miroir a progressé par incréments de 10 nm jusqu'à 500 nm (50 points), la vitesse de la platine étant réglée à 1μm/s. À chaque étape, la position de la platine en temps réel et les valeurs de déplacement démodulées ont été enregistrées jusqu'à la fin de la mesure. Les deux résultats de démodulation de déplacement et leurs différences sont présentés dans la figure 7.

Expérience de synchronisation de la démodulation de phase à deux canaux

Figure 7 : Expérience de synchronisation de la démodulation de phase à deux canaux

Pour plus de clarté, les données de mesure de déplacement du premier canal ont été décalées de 200 nm vers le haut. La figure montre clairement que les deux écarts de déplacement démodulés sont restés à ±2 nm, ce qui prouve que le système de démodulation interférométrique synchrone de phase FDM à double longueur d'onde présente une bonne synchronisation entre les deux canaux de démodulation de déplacement.

Expérience de démodulation de phase dynamique

Pour évaluer les performances du système en matière de détection synchrone de phase dynamique, une expérience de démodulation de phase dynamique à deux canaux a été réalisée. Pour les cibles dynamiques, la distorsion harmonique totale (THD), le rapport entre l'amplitude efficace de toutes les harmoniques et l'amplitude de la fréquence fondamentale, évalue la non-linéarité de la démodulation de phase. L'analyse de la THD nécessitant une entrée à fréquence unique, une tension sinusoïdale a été appliquée pour déplacer le miroir de mesure M2 à 30 Hz dans une plage dynamique de 7rad. Les deux phases démodulées ont été enregistrées simultanément à 10 kHz, comme le montre la figure 8. Selon les résultats de l'analyse THD de la figure 9, les fréquences fondamentales détectées de la phase 1 et de la phase 2 étaient de 29,91Hz et 29,99Hz, avec des valeurs THD de 7,65% et 7,70%, et des valeurs SINAD de 21,64dB pour les deux, ce qui démontre la faisabilité du schéma de détection dynamique de phase synchrone proposé.

Résultats de la démodulation de phase sinusoïdale à deux canaux

Figure 8 : Résultats de la démodulation de la phase sinusoïdale à deux canaux

Résultats de l'analyse THD

Figure 9 : Résultats de l'analyse THD

Résultats expérimentaux :

Dans les expériences de vérification du système de démodulation interférométrique synchrone de phase FDM à double longueur d'onde :

Les résultats de l'expérience de stabilité du système sont satisfaisants et répondent aux conditions de mesure requises.

Dans l'expérience de mesure du nanodéplacement, l'erreur de pas maximale était de ±2nm, avec un écart type ne dépassant pas 1nm.

L'expérience de mesure de l'erreur de non-linéarité à l'échelle nanométrique a démontré que la méthode présente une faible erreur de non-linéarité, inférieure à 0,4 nm.

Dans l'expérience de synchronisation de la démodulation de déplacement à deux canaux, la différence de déplacement démodulé en temps réel entre les deux canaux était de ±2 nm, ce qui confirme la grande synchronisation entre les deux canaux de démodulation de phase.

Dans l'expérience de démodulation de phase dynamique, une tension sinusoïdale variant linéairement a été appliquée pour déplacer le miroir de mesure à 30 Hz dans une plage dynamique de 7rad. Les deux phases démodulées ont été enregistrées simultanément à 10 kHz. Les fréquences fondamentales détectées de la phase 1 et de la phase 2 étaient de 29,91Hz et 29,99Hz, avec des valeurs THD de 7,65% et 7,70%, et des valeurs SINAD de 21,64dB pour les deux.

Ces expériences ont permis de vérifier que le système de démodulation interférométrique synchrone de phase FDM à double longueur d'onde présente d'excellentes performances.

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