加速计耦合激光自混合干涉仪微纳米测量关键技术研究

Laser self-mixing interferometry has been increasingly of interest because of simplicity, compactness and easy alignment. The reported laser self-mixing interference for micro/nano displacement measurement technique is mostly used in laboratory measurement. In order to make it more reliable and more suitable for industrial measurement, we propose a novel MEMS accelerometer-coupled self-mixing interferometry. In the system, the self-mixing interference technique and the MEMS accelerometer are combined to meet the requirements of high precision, miniaturization and site measurement. In order to improve the displacement measurement precision, the sinusoidal current modulating technique is introduced in the self-mixing interference signal analysis. By appropriate demodulation technique, it can realize a real time micro/nano displacement measurement with high precision. In order to meet the requirement of miniaturization and site measurement, a MEMS accelerometer is fixed in the self-mixing interferometry to correct the measurement results. The research results will induce a significant progress for realizing a practical micro/nano displacement measurement system based on self-mixing interference.

激光自混合干涉仪以其固有的结构简单、紧凑、易准直等特点而备受瞩目。已见报道的激光自混合干涉微位移测量技术多用于实验室计量。为了使其工作更可靠, 更能适合加工现场环境的测量, 在前期研究的基础上，本项目创新性的将半导体激光自混合干涉技术和MEMS加速度计相结合，拟研制一种MEMS加速计耦合半导体激光自混合干涉仪，可以同时满足微纳米级位移测量的高精度、微型化和现场化的要求。为了提高自混合干涉的位移测量精度，将正弦电流调制技术引入自混合干涉。研究相位解调方法，实现高精度的微纳米级位移实时测量。为了满足微型化和现场测量的要求，利用固定在半导体激光器上的MEMS加速计测量由外部干扰带来的干涉仪本身的振动，对微位移测量的结果进行校正。研究成果将为半导体激光自混合干涉位移传感系统的实用化道路提供有益的参考。

激光自混合干涉仪以其固有的结构简单、紧凑、易准直等特点而备受瞩目。传统的激光自混合干涉仪以激光波长作为测量的基准，但在自混合干涉中，反馈强度高会引起激光器输出波长的较大波动，带来较大的测量误差。传统激光自混合干涉对测量环境和反馈强度等具有非常苛刻的要求，一般用于实验室测量环境，这一问题也成为阻碍激光自混合干涉测量技术实用化的一个重要因素。本项目解决了激光自混合干涉实际应用过程中存在两个主要问题，并进行一些扩展研究。主要研究内容有：1. 将光栅干涉的思路引入激光自混合干涉中，设计并实现一种新型的激光自混合光栅干涉系统。通过在激光自混合干涉中引入衍射光栅，使自混合干涉的测量基准由波长变为相对稳定的光栅的栅距，大大提高系统对外部环境的适应能力，同时由于衍射效率的限制，使得自混合干涉自动工作在弱反馈条件下，无需额外的控制光反馈量，解决了长期以来阻碍激光自混合干涉测量技术实用化道路的一个重要因素；2. 基于提高自混合干涉系统测量精度的考虑，将调制解调技术引入干涉信号的分析中。提出了电流调制、相位调制、 共振型相位调制三种方法。研究了相应的信号解调方法，对调制参数进行了优化分析，通过调制解调技术的引入，将激光自混合干涉的位移测量精度提高至10纳米以下；3.研制了MEMS加速计耦合半导体激光自混合干涉仪，利用固定在半导体激光器上的MEMS加速计测量干涉仪本身的寄生振动，对自混合干涉仪微位移测量的结果进行校正，在100μm范围内实现了50nm以下的测量精度；4. 提出了MEMS加速计信号的激光自混合光栅干涉测试法，测试结果显示基于低成本、高稳定性的半导体激光自混合光栅干涉测试系统，实现了对MEMS加速度计的高精度测试；5.进行了激光自混合干涉应用的相关扩展研究，提出了基于双频激光自混合干涉的多普勒速度测量法。引入了基于锁相放大器的mHZ信号处理方法来提高速度测量的分辨率以及辨别速度的方向，获得了0.03mm/s的平均测量分辨率。