一種基于相位控制的大行程納米精度定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用.pdf

1、相干輻射的相位控制已經(jīng)成為物理、化學(xué)、生物等不同學(xué)科分支的重要技術(shù)。一種簡(jiǎn)單而被廣泛采用的相位控制方案就是利用具有確定相位差激光脈沖對(duì)，脈沖對(duì)通常由麥克爾遜干涉儀得到。在利用脈沖對(duì)技術(shù)進(jìn)行相位控制的過(guò)程中，由于通常的實(shí)驗(yàn)室條件下會(huì)存在溫度漂移、系統(tǒng)元器件振動(dòng)、甚至系統(tǒng)周?chē)諝獾臄_動(dòng)等各種影響，從而造成相位差不穩(wěn)定，所以有必要控制激光脈沖對(duì)的穩(wěn)定。采用Pancharatnam相位穩(wěn)定的掃描干涉儀能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)麥克爾遜干涉儀兩臂相位差非常精確地

2、控制，并且相位差的時(shí)間延時(shí)和連續(xù)掃描功能由同一個(gè)壓電促動(dòng)器提供。但是，由于壓電促動(dòng)器的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度通常為100微米數(shù)量級(jí)，能夠?qū)崿F(xiàn)的時(shí)間延時(shí)不足一個(gè)皮秒。而很多的應(yīng)用情況需要時(shí)間延時(shí)達(dá)到數(shù)百個(gè)皮秒，現(xiàn)有的基于壓電的系統(tǒng)就不能達(dá)到這個(gè)要求。所以，具有大掃描行程的相位鎖定脈沖對(duì)技術(shù)是非常需要的，這正是本論文所要解決的問(wèn)題。下面是其主要內(nèi)容。 1、設(shè)計(jì)了一種新穎的能夠?qū)崿F(xiàn)相位控制的大行程納米精度定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)掃描過(guò)程中的動(dòng)態(tài)鎖定

3、功能，掃描精度可以達(dá)到納米級(jí)，系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)、壓電促動(dòng)器和動(dòng)態(tài)控制環(huán)組成。大行程掃描是通過(guò)同時(shí)旋轉(zhuǎn)檢偏鏡和步進(jìn)馬達(dá)帶動(dòng)麥克爾遜干涉儀一臂上的反射鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但是，由于保持這兩個(gè)動(dòng)作的同步是相當(dāng)困難的，并且步進(jìn)電機(jī)沒(méi)法達(dá)到相應(yīng)的精度要求，所以為了確保脈沖對(duì)之間相位差的鎖定，只有通過(guò)由光學(xué)反饋系統(tǒng)控制的壓電微位移器來(lái)配合完成，其中反饋系統(tǒng)是通過(guò)監(jiān)視干涉光強(qiáng)的強(qiáng)度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于由電機(jī)帶動(dòng)的鏡子的移動(dòng)距離是任意大的，所有干涉儀的時(shí)間延遲線(xiàn)實(shí)

4、際上就沒(méi)有限制。文章在總結(jié)了傳統(tǒng)的納米精度測(cè)量方法之后，詳細(xì)說(shuō)明基于Pancharatnam相位的納米精度閉環(huán)反饋系統(tǒng)的原理。通過(guò)比較兩種壓電促動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械連接結(jié)構(gòu)控制效果，做出了軟連接的選擇。隨之對(duì)系統(tǒng)的特性和誤差作出分析。文章對(duì)各個(gè)電子功能模塊也作了詳細(xì)的介紹，其中包括光電探測(cè)模塊、自動(dòng)增益同本底調(diào)整模塊，鎖相放大模塊，基于微控制器的PID算法模塊，高壓高電流壓電驅(qū)動(dòng)模塊，無(wú)線(xiàn)控制的步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)模塊。 2、作為大行程

5、納米精度定位系統(tǒng)的相位鎖定功能應(yīng)用，首先對(duì)飛秒激光的一階自相關(guān)進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量的結(jié)果表明，使用大行程納米精度定位系統(tǒng)后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的信噪比明顯提高。由超快激光的自由感應(yīng)衰減實(shí)驗(yàn)，使用這種新裝置可以通過(guò)對(duì)測(cè)量結(jié)果的傅里葉變換直接獲取樣品的光譜特性，對(duì)比以前的雙通道技術(shù)對(duì)自由感應(yīng)衰減信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果，只能通過(guò)參考通道的測(cè)量結(jié)果對(duì)比而獲取樣品的相位信息，并且由于測(cè)量結(jié)果的信噪比太低，而無(wú)法通過(guò)傅里葉變換獲得光譜圖。文中給出的兩種不同技術(shù)測(cè)量的