基于激光自混合干涉效应的三维纳米位移传感技术

By combing the laser self-mixing interferometer (SMI) and the grating interferometry (GI), the project explores a novel laser diode self-mixing interferometer with a planar grating for 3-D nano-displacement sensing. By introducing a diffraction grating into the SMI, the proposed system adopts the grating pitch rather than the wavelength as the measuring standard and it provides better immunity against environmental disturbances. Furthermore, the proposed system is more compact than a traditional SMI since it does not require an optical attenuator to control the optical feedback strength due to the limitation of the diffraction efficiency. The proposed novel 3-D displacement sensing system has the advantages of both the SMI and the GI, such as compactness, high accuracy and strong anti-interference. The research results will provide a good solution for high-precision 3-D displacement measurement and it is of great significance to promote the development of precision metrology technology.

本项目创新性的将半导体激光自混合干涉效应和光栅干涉的思路相结合，拟设计并研制一种基于二维平面光栅的半导体激光自混合干涉三维位移传感系统，实现三维位移测量的纳米量级分辨率。通过在半导体激光自混合干涉系统中引入衍射光栅，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，极大的提高了系统稳定性，同时由于衍 射效率的限制，使得激光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。这种新型的三维位移传感系统既具有半导体激光自混合干涉仪结构简单、紧凑，无需外部探测器的优点，又具有光栅干涉仪测量精度高、抗干扰能力强的优点。研究结果将构成新的系统的基于半导体激光自混合干涉效应的三维测量理论与技术，不仅可以为高精度的三维位移测量提供一种解决方案，而且对推动机械制造中各种精密计量技术的发展具有重要的意义。

激光自混合干涉以其固有的结构简单、紧凑、自准直等特性而广泛的应用于精密位移测量中。和传统的双光束激光干涉仪类似，激光自混合干涉以波长作为测量的基准，多用于面外一维位移的测量。空气折射率波动，温度变化引起的以及激光器自身的不稳定等因素都会导致反馈光的外腔相位发生漂移，严重影响实际测量时系统的分辨率。因此，现有的激光自混合干涉仪对测量环境和反馈强度等具有非常苛刻的要求。本项目将衍射光栅引入激光自混合干涉中，将测量基准由波长变为相对稳定的光栅栅距，并实现了多维位移的测量。由于光栅衬底热膨胀系数低，所提出的位移传感器具有良好的稳定性和较小的零漂移。. 在本项目中，我们提出了一种基于二维衍射光栅的激光自混合干涉仪，用于多维动态精密位移的传感。激光器发出的光束分别以三个不同方向的自准直衍射角入射至反射型二维衍射光栅上，相应的衍射光束将沿原路返回到激光器中，在激光器中产生自混合干涉效应，为了从单个自混合干涉信号中解调出三维动态位移，利用电光晶体对三个测量光束进行高频相位调制，引入不同的高频载波。研究了自混合干涉信号的调制解调原理，设计了相应的信号处理系统。对系统中可能的误差来源进行了分析，并研究了误差补偿的方法。测量结果表明，该方法能够实现纳米级分辨率的多维动态位移传感。所提出的基于激光自混合干涉的多维动态位移传感系统具有稳定性高、结构紧凑、操作相对简单等优点。另外我们还开展了基于激光干涉技术的拓展研究，如研究了基于可调F-P滤波器的激光自混合干涉信号增强技术，激光干涉测量系统中光子学滤波及实用化技术等。