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解調算法位移測量實驗

　　實驗目的：驗證改進后的PGC解調算法在實際應用中對由相位延遲及調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、函數發生器、穩頻激光器、電光相位調制器、探測器等。

　　實驗過程：

　　圖1：基于EOM調制的正弦相位調制干涉儀原理圖及實驗裝置圖

　　搭建了基于EOM調制的正弦相位調制干涉儀如圖1所示，光源部分的He-Ne穩頻激光器型號為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，正弦調制信號由FPGA開發板產生并通過DAC模塊輸出，經過一級運放放大后再經過高壓放大器放大（放大20倍），最終連接至EOM進行驅動。通過調整正弦調制信號的初相位及幅值，可以控制實驗系統中的相位延遲及調制深度。函數發生器輸出正弦信號至P-753.1CD導軌Analogin輸入端，控制導軌在1000nm范圍內進行正弦運動，頻率為350Hz。分別在三種不同的相位延遲及調制深度情況下進行相位解調（1.調制深度2.63rad、相位延遲0°；2.調制深度2.63rad、相位延遲80°；3.調制深度2.23rad、相位延遲0°）。作為對比，在相同相位延遲、調制深度下同時使用PGC-Arctan算法進行相位解調。同時記錄改進后PGC相位解調算法與PGC-Arctan解調算法的測量結果。

　　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位移的形狀受相位延遲及調制深度的影響情況；圖2(b)、圖2(d)和圖2(f)為兩種算法解調位移的FFT分析，FFT使用的窗函數為漢寧窗，圖中700Hz、1050Hz等處對應的2階至8階諧波分量可以體現解調結果中非線性誤差的大小。將兩種算法的THD和SINAD在表4.1中進行了統計，從實驗結果中可以看出，當調制深度為2.63rad、相位延遲為0°時，兩種算法的非線性誤差均低于1nm，解調位移的形狀都為理想的正弦。當相位延遲為0°、調制深度變為2.23rad時，PGC-Arctan算法的解調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。當調制深度為2.63rad、相位延遲變為80°時，PGC-Arctan算法的解調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解調算法的解調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解調算法的解調結果不受相位延遲及調制深度的影響。

　　圖2：不同相位延遲及調制深度下的正弦位移實驗結果

　　表1：解調位移的FFT分析結果

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　　圖：ATA-2082高壓放大器指標參數

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