相位调制纳米激光干涉仪研制开题报告.doc

填 写 说 明一本表为研究生进入课题研究和学位论文工作时在导师指导下所做的课题研究报告，为保证硕士研究生有一年以上的时间用于课题研究，博士研究生有二年以上的时间用于课题研究，硕博连读研究生有不少于二年半的时间用于课题研究，研究生应按时开题，并填写开题报告。二指导教师和所在系所要认真审查研究生选题是否准确、适当（即课题有无理论意义和经济意义，作为攻读学位的研究生研究课题是否适宜，在课题的难度和份量上是否恰当，能否在规定的时间内完成等），实验方案是否合理、可行，并对所选题给予恰当评价。指导教师意见中还可以对研究生的开题报告作某些补充和说明。三填写本表前系所应组织研究生就选题情况进行公开答辩，提出修改意见。研究生修改定稿后填写本表。经导师、系、学院签署审核意见后复印二份，在第三学期结束前（硕士研究生、博士生）、第四学期结束前（硕博连读生）送学院研究生秘书汇总，二份留学院，原稿由学院研究生秘书送研究生培养科存档。四博士生、硕博连读研究生需要填写研究生学位论文开题报告简表，开题报告的公开答辩的成绩由学院登录。五本表经批准后必须严格执行。如因特殊原因必须修改计划时，须书面申请，并经导师、系、学院同意后方可修改计划。六如果论文选题有重大变动，必须另行开题。研究生学位论文开题报告简表录取类别（ ） 免试 （）应届生 （ ） 其他学习类别（ ） 在职学习（） 脱产学习入学时间2011年9月预计毕业时间2014年5月指导教师第一导师姓名、职称第二导师姓名、职称论文题目：相位调制纳米激光干涉仪研制依托的项目（课题）名称项目（课题）编号、来源项目（课题）的起始时间导师在项目（课题）中作用项目（1）（ ）主持人（ ）参加项目（2）（ ）主持人（ ）参加自拟项目（ ）主持人（ ）参加预计研究的创新点基于迈克尔逊干涉系统，同时利用压电陶瓷促动器产生小幅值的相位调制，有效避免低频漂移和幅值波动，从而提高其测量精度。其他需要说明的事注：选题的依托项目（课题）的起始时间应与博士论文工作必须有一年以上重合期。本简表为博士生（含硕博）研究生学位授予时审核的依据。硕士研究生不填写该页简表。一学位论文题目：相位调制纳米激光干涉仪研制二所选课题的来源、目的、意义及该课题在国内外的概况：目的：基于迈克尔逊干涉系统，同时利用压电陶瓷促动器产生小幅值的相位调制，有效避免低频漂移和幅值波动,再通过软件方法实现解调，在对测量信号进行修正和补偿后，最终实现位移量的高精度测量。意义：近年来，随着微电子、超精密加工技术的迅速发展，需要高度可靠、具有快速稳定定位能力、精度达到亚纳米水平的仪器，同时也要求测量结果能够方便地输出和进行数据处理。激光干涉仪具有高测量灵敏度和高测量精度的特点，并且能够和电子技术、计算机技术相结合，实现测量的高速化、自动化而被作为精密计量元件广泛应用于仪器仪表及机床等方面。本课题对信号的处理方法不同于传统激光干涉仪的位移直接测量，而是采用相位调制的方法，既保留了迈克尔逊系统结构简便、处理速度快、分辨率高的优点，而且压电陶瓷促动器的周期相位调制降低了环境中各种噪声对信号的影响，因此在很大程度上提高了系统测量的准确性，很容易实现高精度的测量。国内外概况：目前最先进的纳米激光干涉仪多来自工业发达国家，我国因起步较晚，与发达国家尚有差距。国内外主要生产企业： 国外：美国Agilent（安捷伦）公司、美国国家标准技术研究院（NTST）、日本Yoshida（吉田）公司、英国Renishaw（雷尼绍）公司、英国国家物理实验室（NPL）、德国联邦物理技术研究院（PTB）等等。 国内：清华大学、中国计量科学研究院、北京电子显微镜实验室等等都获得了纳米或者亚纳米的测量精度。-1-三课题研究的主要内容及拟解决的问题和预期效果：主要内容：系统的框图如图1所示，相位调制纳米激光干涉仪，包括光路部分和信号处理部分。信号处理部分又包括信号发生器和信号解调部分。信号发生器的主要作用是控制驱动压电陶瓷驱动器（PZT）的运动。图1 系统框图拟解决问题：1. 光路部分的设计；2. 信号处理部分信号发生器的驱动电路程序设计；3. 光电转换电路的设计和发生装置对调制信号检测及处理电路的测试与验证；4. 基于Labview的软件解调信号方法及信号处理。预期效果：1. 构建相位调制纳米激光干涉仪精密位移测量系统；2. 各模块正常工作；3. 最后的信号可实现对位移的准确测量；4. 系统达到结构简便、测量快速、精度高的要求。-2-四实验设计方案及所需要的主要设备、仪器、材料（名称、规格型号）及其数据（实验大纲另订）。设计方案：光通过光路部分检测到四路信号，四路信号通过光电转换电路然后再将模拟信号转换成数字信号送入计算机进行处理，得出的数据即可以分析出运动光臂的位移和方向。光路部分如图2所示。 LS：HE-NE激光器 PBS1：偏振分光陵镜1 PBS2：偏振分光陵镜2 PBS3：偏振分光陵镜3 PBS4：偏振分光陵镜4 M1：反射镜1 M2：反射镜2 Q1：1/4波片1 Q2：1/4波片2 Q3：1/4波片3 Q4：1/4波片4 PZT：压电陶瓷促动器 PD1：光电探测器1 PD2：光电探测器2 PD3：光电探测器3 PD4：光电探测器4图2 光路图光路部分光路部分包括有两个反射镜、四个偏振分光镜、四个四分之一波片、HE-NE激光器、非偏振分光镜、压电陶瓷驱动器和四个光电探测器。光从HE-NE激光器射出，通过PBS1之后P光透射，P光经过Q1变成右旋圆偏振光，右旋圆偏振光经过PBS2后P光透射S光反射，固定光臂S光经过Q3变成左旋圆偏振光经过M1反射再次经过Q3变成P光，动光臂P光经过Q2变成右旋圆偏振光经过M2反射再次经过Q2变成S光，此时固定光臂的P光和动光臂的S光再次射入PBS2后重合，再经过Q4后分别变成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，经NPBS分成两束，再分别进入PBS3和PBS4后，通过光电探测器接收到四路相位相差90的干涉信号。信号处理部分信号处理部分包括两个部分，信号发生器和信号解调模块。信号发生器的作用主要是驱动调节压电陶瓷促动器工作产生高频弦波震荡，光电检测器上检测的光强I为：其中，表示振荡信号， 表示信号振幅，表示振动频率，表示时间。加入这个振荡信号对相位进行调制可以从噪声中提取信号，避免信号畸变，有效的抑制外部环境和随机干扰的影响，有效避免低频漂移和幅值波动，从而提高其测量精度。信号解调部分主要是指路信号通过光电转换电路实现对光强信号的光电转换及放大处理，然后采用数据采集卡将模拟信号转换成数字信号送入计算机，基于Labview软件，对得到的相位调制信号进行解调，拟用软件实现信号的辩向与细分，通过得到的U反求出精度较高的位移x。主要设备、仪器：1. HE-NE激光器；2. 压电陶瓷促动器及其驱动电路；3. 光电传感器和信号处理电路；4. 信号解调处理系统（Labview软件）；5. 高精度工作台。材料： 1. 光路材料：PBS、NPBS、四分之一波片、反射镜、光电二极管；2. 电路材料：高速运算放大器、贴片电容、贴片电感、贴片电阻、滑动变阻器、电源转换芯片若干；3. 机械材料：PBS和NPBS放置架、四分之一波片、反射镜夹持器。-3-五关键问题，现有条件及解决办法：关键问题：1. 光路的设计；2. 信号的相位调制及解调。现有条件：1. 光路设计的模拟分析；2. 信号调制电路、Labview软件解调分析。解决方法：1. 对于光路的设计基于迈克尔逊干涉系统采用偏振光的形式，可以有效的避免光回射对激光器造成的损坏，同时，利用偏振光可以减少光能量的损失，提高测量的精度。2. 信号调制电路的原理：在两光路中，每光路有四个光电探测器分布于每1/4周期处，分别读出+sin、+cos，-sin、-cos四路相位依次相差90的信号，分为+sin和-sin、+cos和-cos两组相位分别相差180的信号，再加入压电陶瓷促动器提供的大小为的振动信号，便可将信号中的干扰以及环境导致的系统误差去除，得到两路相差90的正弦和余弦信号；正、余弦信号再经过放大滤波等电路的处理，便可得到两组低噪声、幅值适中的正弦与余弦信号。此时，位移体现在正余弦信号的相移上。解调的过程是接受数据后对数据进行辨向细分，通过公式用已知的U反求位移值x。-4-六进度安排及完成毕业论文日期：已完成进度：光路部分设计 信号处理部分光电转换电路的设计进度安排：预计2013年6月，光路搭建完成，光