电压放大器在差分激光干涉纳米位移测量方法研究中的应用

　　实验名称：改进后的PGC解调算法位移测量实验

　　实验目的：验证改进后的PGC解调算法在实际应用中对由相位延迟及调制深度引入的非线性误差的抑制效果。

　　测试设备：电压放大器、函数发生器、稳频激光器、电光相位调制器、探测器等。

　　实验过程：

　　图1：基于EOM调制的正弦相位调制干涉仪原理图及实验装置图

　　搭建了基于EOM调制的正弦相位调制干涉仪如图1所示，光源部分的He-Ne稳频激光器型号为XL-80，输出光的波长为632.990577nm，光路结构中使用的四分之一波片QWP、分束立方体BS、角锥棱镜M1和M2、电光相位调制器EOM及探测器PD，固定测量镜M2的导轨，该导轨总运动范围为15μm，单向重复定位精度为1nm，位移分辨率为0.05nm。

　　实验中，正弦调制信号由FPGA开发板产生并通过DAC模块输出，经过一级运放放大后再经过高压放大器放大（放大20倍），最终连接至EOM进行驱动。通过调整正弦调制信号的初相位及幅值，可以控制实验系统中的相位延迟及调制深度。函数发生器输出正弦信号至P-753.1CD导轨Analogin输入端，控制导轨在1000nm范围内进行正弦运动，频率为350Hz。分别在三种不同的相位延迟及调制深度情况下进行相位解调（1.调制深度2.63rad、相位延迟0°；2.调制深度2.63rad、相位延迟80°；3.调制深度2.23rad、相位延迟0°）。作为对比，在相同相位延迟、调制深度下同时使用PGC-Arctan算法进行相位解调。同时记录改进后PGC相位解调算法与PGC-Arctan解调算法的测量结果。

　　实验结果：

　　图2和表1为不同相位延迟及调制深度下的正弦位移实验结果。其中，图2(a)、图2(c)和图2(e)展示了两种算法解调位移的形状受相位延迟及调制深度的影响情况；图2(b)、图2(d)和图2(f)为两种算法解调位移的FFT分析，FFT使用的窗函数为汉宁窗，图中700Hz、1050Hz等处对应的2阶至8阶谐波分量可以体现解调结果中非线性误差的大小。将两种算法的THD和SINAD在表4.1中进行了统计，从实验结果中可以看出，当调制深度为2.63rad、相位延迟为0°时，两种算法的非线性误差均低于1nm，解调位移的形状都为理想的正弦。当相位延迟为0°、调制深度变为2.23rad时，PGC-Arctan算法的解调位移的形状受到影响，非线性误差也大于5nm，此时THD升高至1.171%，SINAD降低至38.54dB。当调制深度为2.63rad、相位延迟变为80°时，PGC-Arctan算法的解调位移的形状也明显受到影响，非线性误差超过了10nm，此时THD升高至4.618%，SINAD降低至26.71dB。而在三种情况下，改进后的PGC解调算法的解调位移始终为理想的正弦，且THD均低于0.12%、SINAD均高于58dB，表明改进后的PGC解调算法的解调结果不受相位延迟及调制深度的影响。

　　图2：不同相位延迟及调制深度下的正弦位移实验结果

　　表1：解调位移的FFT分析结果

　　电压放大器推荐：ATA-2082

　　图：ATA-2082高压放大器指标参数

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