混合式相位调制差分激光干涉纳米位移测量及误差同步补偿方法研究

The trans-scale nanometer displacement measurement is a challenge and opportunity for laser interferometry research. The measurement accuracy of the existing interferometry is limited by the optical path disturbance, the nonlinear error, and the correction accuracy of air refractive index. Moreover, the dynamic compensation of Abbe error in displacement measurement has not been studied yet. A hybrid phase-modulation differential laser interferometric nanometer displacement measurement method is proposed in this proposal. The innovative research on the principle and method of displacement measurement will be conducted from optical path structure design and interference signal processing. The error caused by unbalanced disturbance in two-beam interference optical path, and the nonlinear error of phase demodulation will be studied. Principle of phase-modulated multi-interferometer for synchronous nanometer displacement measurement will be established. The problems about the influence and compensation of Abbe errors and the influence of air refractive index on measurement accuracy will be studied and solved. The principles of hybrid phase-modulation differential interferometric nanometer displacement and error synchronization compensation will be established. And a novel type of laser interferometer for nanometer displacement measurement with high precision will be developed. A technological breakthrough in trans-scale high-precision displacement measurement will be achieved. This proposal aims to set up a trans-scale displacement measurement with high precision method and provide a precision displacement test instrument for high-end equipment manufacturing, precision measurement, and basic science research.

跨尺度纳米位移测量是激光干涉测量技术研究面临的重要挑战和机遇，但是现有干涉法测量精度不仅受限于光路非平衡扰动、非线性误差和空气折射率修正精度，而且测量过程阿贝误差的动态补偿一直未有研究。本申请项目拟从光路结构设计和干涉信号处理方法的源头进行位移测量原理与方法的创新研究，提出一种混合式相位调制差分激光干涉纳米位移测量方法，揭示双光束干涉光路非平衡扰动误差作用机理和相位解调非线性误差形成机理，构建相位调制多路激光干涉同步纳米位移测量机制，探索测量过程阿贝误差的作用规律和补偿方法，解决空气折射率对跨尺度纳米位移测量精度的影响问题，建立混合式相位调制差分激光干涉纳米位移测量及误差同步补偿原理，研制一套高精度的新型激光干涉纳米位移测量装置，实现毫米量程、纳米精度的跨尺度精密位移测量技术的突破，旨在为高端装备制造、精密计量和基础科学研究等领域提供跨尺度高精度的纳米位移测量技术及仪器。

跨尺度纳米位移测量技术及仪器在高端装备制造、精密测试计量和基础科学研究等领域有着广泛的应用。本项目在资助期内，对混合式相位调制差分激光干涉纳米位移测量及误差同步补偿方法进行了详细研究，研究内容包括基于EOM混合相位调制的差分激光干涉纳米位移测量理论分析，测量方法设计、测量系统优化、信号处理方法设计、测量不确定度分析与评定、和实验验证等，解决了环境扰动和温度漂移引起的干涉仪参考臂和测量臂非平衡扰动误差抑制、干涉信号相位解调非线性误差补偿、空气折射率大范围高精度实时测量与补偿、待测对象转角误差同步测量与补偿等关键技术和问题，建立了混合式相位调制差分激光干涉纳米位移测量及误差同步补偿测量原理，构建了相关实验装置，开展了实验验证和应用测试，按计划完成了相关研究内容，达到了预期研究目标。主要研究工作成绩如下：.1. 提出了一种相位调制差分激光单频干涉纳米位移测量方法，解决了激光单频干涉参考臂和测量臂非平衡扰动误差对位移测量精度的影响。.2. 提出了混合相位调制实时椭圆拟合PGC解调非线性误差修正方法，解决了PGC相位解调非线性误差问题。.3. 建立了一种激光干涉纳米位移及转角误差同步测量与动态补偿原理，可实现阿贝误差实时补偿。.4. 提出了一种PTF传感和差分激光干涉融合的空气折射率绝对测量方法，实现了1.3E-8量级度空气折射率测量；.5. 研制了一套混合式相位调制差分激光干涉纳米位移测量及误差同步补偿系统样机，实现的主要技术指标：测量范围300mm时，测量标准偏差优于10nm；测量范围1mm时，测量标准偏差优于1nm；非线性误差0.1nm；相位测量分辨率10pm。.6. 在Opt. Express、J. Lightw. Technol、Meas. Sci.Technol.和中国激光等国内外重要学术期刊和学术会议上发表学术论文23篇，其中SCI索引20篇，EI索引3篇。.7. 授权国家发明专利6件，美国发明专利3件。.8. 培养博士研究生1名、硕士研究生6名。.9. 研究成果获2020年浙江省科学技术进步奖二等奖。