電壓放大器在差分激光干涉納米位移測量方法研究中的應用

　　實驗名稱：改進后的PGC解調(diào)算法位移測量實驗

　　實驗目的：驗證改進后的PGC解調(diào)算法在實際應用中對由相位延遲及調(diào)制深度引入的非線性誤差的抑制效果。

　　測試設備：電壓放大器、函數(shù)發(fā)生器、穩(wěn)頻激光器、電光相位調(diào)制器、探測器等。

　　實驗過程：

　　圖1：基于EOM調(diào)制的正弦相位調(diào)制干涉儀原理圖及實驗裝置圖

　　搭建了基于EOM調(diào)制的正弦相位調(diào)制干涉儀如圖1所示，光源部分的He-Ne穩(wěn)頻激光器型號為XL-80，輸出光的波長為632.990577nm，光路結構中使用的四分之一波片QWP、分束立方體BS、角錐棱鏡M1和M2、電光相位調(diào)制器EOM及探測器PD，固定測量鏡M2的導軌，該導軌總運動范圍為15μm，單向重復定位精度為1nm，位移分辨率為0.05nm。

　　實驗中，正弦調(diào)制信號由FPGA開發(fā)板產(chǎn)生并通過DAC模塊輸出，經(jīng)過一級運放放大后再經(jīng)過高壓放大器放大（放大20倍），最終連接至EOM進行驅(qū)動。通過調(diào)整正弦調(diào)制信號的初相位及幅值，可以控制實驗系統(tǒng)中的相位延遲及調(diào)制深度。函數(shù)發(fā)生器輸出正弦信號至P-753.1CD導軌Analogin輸入端，控制導軌在1000nm范圍內(nèi)進行正弦運動，頻率為350Hz。分別在三種不同的相位延遲及調(diào)制深度情況下進行相位解調(diào)（1.調(diào)制深度2.63rad、相位延遲0°；2.調(diào)制深度2.63rad、相位延遲80°；3.調(diào)制深度2.23rad、相位延遲0°）。作為對比，在相同相位延遲、調(diào)制深度下同時使用PGC-Arctan算法進行相位解調(diào)。同時記錄改進后PGC相位解調(diào)算法與PGC-Arctan解調(diào)算法的測量結果。

　　實驗結果：

　　圖2和表1為不同相位延遲及調(diào)制深度下的正弦位移實驗結果。其中，圖2(a)、圖2(c)和圖2(e)展示了兩種算法解調(diào)位移的形狀受相位延遲及調(diào)制深度的影響情況；圖2(b)、圖2(d)和圖2(f)為兩種算法解調(diào)位移的FFT分析，F(xiàn)FT使用的窗函數(shù)為漢寧窗，圖中700Hz、1050Hz等處對應的2階至8階諧波分量可以體現(xiàn)解調(diào)結果中非線性誤差的大小。將兩種算法的THD和SINAD在表4.1中進行了統(tǒng)計，從實驗結果中可以看出，當調(diào)制深度為2.63rad、相位延遲為0°時，兩種算法的非線性誤差均低于1nm，解調(diào)位移的形狀都為理想的正弦。當相位延遲為0°、調(diào)制深度變?yōu)?.23rad時，PGC-Arctan算法的解調(diào)位移的形狀受到影響，非線性誤差也大于5nm，此時THD升高至1.171%，SINAD降低至38.54dB。當調(diào)制深度為2.63rad、相位延遲變?yōu)?0°時，PGC-Arctan算法的解調(diào)位移的形狀也明顯受到影響，非線性誤差超過了10nm，此時THD升高至4.618%，SINAD降低至26.71dB。而在三種情況下，改進后的PGC解調(diào)算法的解調(diào)位移始終為理想的正弦，且THD均低于0.12%、SINAD均高于58dB，表明改進后的PGC解調(diào)算法的解調(diào)結果不受相位延遲及調(diào)制深度的影響。

　　圖2：不同相位延遲及調(diào)制深度下的正弦位移實驗結果

　　表1：解調(diào)位移的FFT分析結果

　　電壓放大器推薦：ATA-2082

　　圖：ATA-2082高壓放大器指標參數(shù)

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