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基于平面反射式全息光栅的激光自混合纳米位移测量研究

张玉杰 徐雷 管钰晴 邹文哲 郭创为 雷李华 傅云霞 郭珍艳 顾振杰 邓晓

张玉杰, 徐雷, 管钰晴, 邹文哲, 郭创为, 雷李华, 傅云霞, 郭珍艳, 顾振杰, 邓晓. 基于平面反射式全息光栅的激光自混合纳米位移测量研究[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(4): 20220676. doi: 10.3788/IRLA20220676
引用本文: 张玉杰, 徐雷, 管钰晴, 邹文哲, 郭创为, 雷李华, 傅云霞, 郭珍艳, 顾振杰, 邓晓. 基于平面反射式全息光栅的激光自混合纳米位移测量研究[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(4): 20220676. doi: 10.3788/IRLA20220676
Zhang Yujie, Xu Lei, Guan Yuqing, Zou Wenzhe, Guo Chuangwei, Lei Lihua, Fu Yunxia, Guo Zhenyan, Gu Zhenjie, Deng Xiao. Research on laser self-mixing nano-displacement measurement based on plane reflective holographic grating[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(4): 20220676. doi: 10.3788/IRLA20220676
Citation: Zhang Yujie, Xu Lei, Guan Yuqing, Zou Wenzhe, Guo Chuangwei, Lei Lihua, Fu Yunxia, Guo Zhenyan, Gu Zhenjie, Deng Xiao. Research on laser self-mixing nano-displacement measurement based on plane reflective holographic grating[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(4): 20220676. doi: 10.3788/IRLA20220676

基于平面反射式全息光栅的激光自混合纳米位移测量研究

doi: 10.3788/IRLA20220676
基金项目: 国家重点研发计划(2021YFF0603300);上海市学术/技术带头人项目(21XD1425000);上海科技自然科学基金 (21ZR1483100)
详细信息
    作者简介:

    张玉杰,女,硕士生,主要从事纳米计量方面的研究

    郭珍艳,女,副教授,博士,主要从事光学计量层析技术三维诊断燃烧场及瞬态测量和光学干涉精密测量等方面的研究

    通讯作者: 顾振杰,男,博士后,博士,主要从事精密测量方面的研究
  • 中图分类号: TB96

Research on laser self-mixing nano-displacement measurement based on plane reflective holographic grating

Funds: National Key Research and Development Program of China (2021YFF0603300);Shanghai Academic Technology Leader Program (21XD1425000);Shanghai Science and Technology Natural Science Foundation (21ZR1483100)
  • 摘要: 纳米位移测量技术是实现高精度纳米制造的基础。激光自混合干涉为精密纳米位移测量提供了一种结构简便、成本低廉,同时测量精度可达纳米量级的精密位移测量方法。区别于传统基于反射镜或散射面为反馈元件的激光自混合干涉测量方案,研究了一种基于平面反射式全息光栅的激光自混合纳米位移测量方法,该方法的位移测量结果以光栅的周期为基准。实验测得了在弱反馈强度条件下的光栅自混合干涉信号,通过阈值设定的方法确定位移方向的反转点,结合反余弦的相位解包裹算法处理光栅自混合信号,获得了对应的位移测量值。最终采用商用激光干涉仪与自组装的光栅自混合干涉仪进行位移测量数据的比对测量,实验结果表明,经过线性修正后,其位移误差不超过0.241%。
  • 图  1  基于平面反射式全息衍射光栅的激光自混合纳米位移测量系统示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of a laser self-mixing nano-displacement measurement system based on a planar reflective holographic diffraction grating

    图  2  基于光栅反馈的激光自混合测量原理图

    Figure  2.  Schematic diagram of laser self-mixing measurement based on grating feedback

    图  3  在正弦位移调制下,弱反馈时的光栅激光自混合信号仿真结果。(a)光栅的位移信号$ \Delta x=1\;000 \sin (10 \pi t) $;(b)归一化的光功率信号$ P_{{nor }} $随时间变化的情况

    Figure  3.  Simulation results of laser self-mixing signal under sinusoidal displacement modulation and weak feedback condition. (a) Displacement signal of grating, where $ \Delta x=1\;000 \sin (10 \pi t) $; (b) Normalized optical power signal $P_{{nor }} $ as a function of time

    图  4  解包裹相位示意图

    Figure  4.  Diagram of unwrapping phase

    图  5  经过归一化后的基于平面反射式全息光栅的激光自混合信号(二极管工作电流为40.6 mA,位移台设定为作10 μm振幅的匀速直线往复运动)

    Figure  5.  Normalized laser self-mixing signal based on the plane reflective holographic grating (The working current of laser diode is 40.6 mA, the displacement table makes a uniform linear reciprocating motion of 10 μm amplitude)

    图  6  包裹相位图

    Figure  6.  Wrapped phase diagram

    图  7  基于平面反射式全息光栅的激光自混合仪的位移重建结果

    Figure  7.  Displacement reconstruction result of laser self-mixing interferometer based on plane reflective holographic grating

    图  8  商用干涉仪与光栅自混合干涉仪重构位移比对图

    Figure  8.  Comparison diagram of reconstructed displacement between commercial interferometer and grating self-mixing interferometer

    表  1  光栅激光自混合干涉仪位移均值和方差

    Table  1.   Displacement mean and variance of grating laser self-mixing interferometer

    Index$ \bar{x} $/nm$ {\Delta x}_{g}/\mathrm{n}\mathrm{m} $$\mathrm{\sigma }\left(x\right)/{\rm{nm}}$
    111093.2311092.50144.7112
    20.7286−11104.23145.8710
    311104.9611112.16613.4718
    4−7.2061-9.2199
    Average value-11102.96635.818475
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    表  2  商用干涉仪QuDIS与光栅激光自混合干涉仪位移比对测量表

    Table  2.   Displacement comparison measurement table between commercial interferometer QuDIS and grating laser self-mixing interferometer

    Index$\overline x $/nm$ \overline x $ of QuDIS/nm$ \Delta x $/nm$ \Delta x $ of QuDIS/nmError
    110006.5210003.3010005.862810000.08750.058%
    20.65723.2125−10016.4298−10003.83750.126%
    310017.08710007.0510023.58729999.46950.241%
    4−6.50027.5805---
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-12-10
  • 修回日期:  2023-01-28
  • 网络出版日期:  2023-04-14
  • 刊出日期:  2023-04-25

基于平面反射式全息光栅的激光自混合纳米位移测量研究

doi: 10.3788/IRLA20220676
    作者简介:

    张玉杰,女,硕士生,主要从事纳米计量方面的研究

    郭珍艳,女,副教授,博士,主要从事光学计量层析技术三维诊断燃烧场及瞬态测量和光学干涉精密测量等方面的研究

    通讯作者: 顾振杰,男,博士后,博士,主要从事精密测量方面的研究
基金项目:  国家重点研发计划(2021YFF0603300);上海市学术/技术带头人项目(21XD1425000);上海科技自然科学基金 (21ZR1483100)
  • 中图分类号: TB96

摘要: 纳米位移测量技术是实现高精度纳米制造的基础。激光自混合干涉为精密纳米位移测量提供了一种结构简便、成本低廉,同时测量精度可达纳米量级的精密位移测量方法。区别于传统基于反射镜或散射面为反馈元件的激光自混合干涉测量方案,研究了一种基于平面反射式全息光栅的激光自混合纳米位移测量方法,该方法的位移测量结果以光栅的周期为基准。实验测得了在弱反馈强度条件下的光栅自混合干涉信号,通过阈值设定的方法确定位移方向的反转点,结合反余弦的相位解包裹算法处理光栅自混合信号,获得了对应的位移测量值。最终采用商用激光干涉仪与自组装的光栅自混合干涉仪进行位移测量数据的比对测量,实验结果表明,经过线性修正后,其位移误差不超过0.241%。

English Abstract

    • 纳米位移测量技术是实现高精度纳米制造的基础,激光干涉仪[1]、光栅干涉仪[2]等较为传统的纳米位移测量方法需要诸如反射镜、分束器、波片等外设光学元件。相比于这些传统的双光束干涉测量方法,激光自混合干涉仪的光干涉信号可由集成在光电二极管后方的光电探测器采集,因此实现了一种结构简单、成本低廉的精密位移测量方法。

      激光自混合干涉又称为激光回馈干涉,是一种基于外腔光反馈原理[3],在激光器谐振腔内部形成光干涉效应的精密位移测量方法。激光自混合干涉测量技术主要包含三个核心部分:光源、外腔反馈元件、信号处理单元。激光自混合测量技术自发明以来,已广泛应用于包括位移测量[4]、振动测量[5]、速度测量[6]、激光二极管参数估计[7]、光学加密技术[8]、血液流速测量[9]等领域,已在不同的光源系统中实现并得到了应用,比如在He-Ne激光器系统中实现了对于液晶双折射现象的测量[10],在正交偏振光源中实现了远距离的振动测量[11],运用Nd:YAG激光对压电陶瓷的电压响应情况进行测量[12],在垂直腔面发射半导体激光器中实现了对于不同散射表面的自混合测速[13]

      激光自混合测量的外腔反馈元件主要有三种:反射镜[14]、散射表面[15]、光栅[16]。大多数激光自混合测量方案以反射镜作为外腔反馈元件。对于散射表面作为外腔反馈元件的研究,则扩展了自混合测量在一般场景中的应用能力。与基于反射镜或者散射面作为外腔反馈元件不同的是,以光栅为外腔反馈元件的激光自混合方案的测量基准为光栅周期而非激光波长,这将进一步提高自混合测量系统的抗环境干扰能力。近年来,基于光栅反馈的激光自混合测量的研究进展包括:基于反射式光栅反馈实现了MEMS加速度计的灵敏度测量[16]、基于光栅±1级衍射光反馈的双光源激光自混合测量方案实现了分辨率小于10 nm的二维位移测量[17],经过透射光栅二次衍射反馈信号的激光自混合方案实现了分辨率超越半光栅周期的位移测量[18]等。

      在激光自混合信号处理方面,主要研究如何提高自混合信号的重构精度,比如运用全相位谱分析方法将测量精度缩小至4.4 nm[19],采用相位调制与快速傅里叶变换算法相结合,提高了自混合测量的精度[20]。采用希尔伯特变换[21]产生正交相位数据,从而可以通过求解反正切函数的相位解包裹算法来处理自混合干涉信号,生成对抗网络方法[22]被用来还原含噪声的自混合信号。

      为了探索基于光栅周期而非激光波长为测量基准的纳米位移测量方法,文中研究了基于平面反射式全息光栅反馈的激光自混合纳米位移测量方案,在信号处理方面,采用基于反余弦的相位解包裹方法,具体通过阈值设定的方法确定位移方向反转点,从而对反余弦相位进行正确的补偿,最终将实验处理得到的位移信号与商用激光干涉仪的位移测量值进行比对,来评估实验系统的误差。

    • 文中采用的基于平面反射式全息光栅的激光自混合纳米位移测量的实验装置如图1所示,源采用激光二极管光源(Thorlabs,DL5146-101S),中心波长为405 nm,并且配备了温度控制和电流控制模块(Arroyoment 5305)以保证二极管稳定在单纵模输出。由激光二极管输出的激光经过一个非球面耦合透镜(Thorlabs,C230TMD-A)将输出激光聚焦到闪耀型的平面全息光栅表面产生衍射,入射角为利特罗角度$ \theta $,满足关系$ \theta=\arcsin (\lambda / 2 d) $,其中$ \lambda $是激光中心波长,d是光栅的周期。实验中采用的光栅是2400 lp/mm的平面衍射光栅,周期为416.67 nm,故实验中利特罗角度为27.08°。在利特罗入射角度下,由光栅产生的1阶衍射光的衍射角等于入射角,即1阶衍射光会沿着入射光原路返回到激光二极管内部,从而与激光二极管腔内部初始的激光光场发生自混合干涉,干涉形成的自混合光场会受到外腔的相位调制作用。光栅放置在一维直线电机纳米位移台上(三英精控,ETSM-15G),栅格方向与位移台方向保持一致,当位移台沿着光栅栅格方向运动时,会引起自混合光强的调制,从而可以实现纳米位移传感。在激光与光栅之间插入了二分之一波片和偏振分束器,将激光分束后由内置低噪声放大器的硅光电探测器(Thorlabs,PDA10A2)进行探测,从而将自混合的光功率信号转化为电压信号,经过数据采集卡采集后由计算机进行处理。

      图  1  基于平面反射式全息衍射光栅的激光自混合纳米位移测量系统示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of a laser self-mixing nano-displacement measurement system based on a planar reflective holographic diffraction grating

    • 激光自混合测量基于光反馈原理,严格的理论描述需要运用Lang-Kobayashi方程,通常采用三腔镜模型[3]便于形象理解,如图2所示,在自混合测量中激光二极管等效为一个由前后两个反射镜M1和M2以及之间的增益介质组成的线性腔结构。经M1和M2反射的二极管腔内基频光E1与经过光栅衍射的1阶衍射光E2在腔内发生自混合干涉形成总的电场E,可表示为:

      $$ \begin{split} E = &{r_1}{r_2}{E_0}\exp \left( {i2nkl} \right) + {r_1}t_2^{'}{r_g}{E_0} \times \\ &\exp \left( {i\left( {2nkl + 2kL + \varphi } \right)} \right) \end{split} $$ (1)

      图  2  基于光栅反馈的激光自混合测量原理图

      Figure 2.  Schematic diagram of laser self-mixing measurement based on grating feedback

      式中:$ {r}_{1} $$ r_{2} $分别为M1和M2对基频光的反射率;$ t_{2} $$ t_{2}^{'} $分别为M2对基频光和一阶衍射光的透射率;n为二极管增益介质折射率;k为基频光波矢;l为二极管腔长;L为外腔长度;$ \varphi $为光栅运动引起的多普勒移频相位。在非相对论条件下,以利特罗角度入射产生的一阶衍射光反馈光的相移可表示为:

      $$ \varphi=2 \pi \Delta x / d $$ (2)

      在稳态条件下激光自混合效应由频率方程和功率方程描述,其形式如下:

      $$ \begin{split} \omega_{0} \tau=&\omega \tau+C \cdot \cos (\omega \tau-\arctan \alpha+\varphi) \\ P=&P_{0}\left[1+m P_{ {nor }}\right] \\ P_{ {nor }}=&\cos (\omega \tau+\varphi) \end{split} $$ (3)

      式中:$ \omega_{0} $为无反馈条件下的基频光角频率;$ \tau=2 L / c $;为激光在外腔中往返的时间;C为反馈强度因子;$\alpha $为线宽展宽因子;P为激光器输出功率;$ P_{0} $为无反馈条件下的激光初始输出功率;$ P_{nor} $为归一化的自混合信号;m为干涉条纹对比度。

      为了分析弱反馈条件下的光栅自混合信号特征,对于自混合信号进行了仿真。基于激光二极管的参数范围,取$ \alpha=3 $$ C=0.2 $,光栅位移以正弦形式振动,得到的激光功率信号交流成分的仿真结果如图3所示。从图中可以看出,在弱反馈条件下($ C<1 $),光栅每运动一个光栅周期的距离时,光功率信号产生一个条纹信号,当运动速度变慢时,自混合信号条纹会变得稀疏。

      图  3  在正弦位移调制下,弱反馈时的光栅激光自混合信号仿真结果。(a)光栅的位移信号$ \Delta x=1\;000 \sin (10 \pi t) $;(b)归一化的光功率信号$ P_{{nor }} $随时间变化的情况

      Figure 3.  Simulation results of laser self-mixing signal under sinusoidal displacement modulation and weak feedback condition. (a) Displacement signal of grating, where $ \Delta x=1\;000 \sin (10 \pi t) $; (b) Normalized optical power signal $P_{{nor }} $ as a function of time

      结合公式(2)和(3)可以看到,如果要获得位移信号${\Delta} x$,关键要先从功率谱信号中重构出相位信号$ \varphi $$ P_{no r} $是关于$ \omega \tau+\varphi $的函数,$ \omega \tau $是关于$ \varphi $的周期函数,需要解公式(2)中的超越方程,为了简化位移重构计算,通常将$ \omega \tau $作为一个误差项,并将$ \omega \tau+\varphi $合并为一个总的相位$ \varphi_{r} $,因此可以将$ P_{no r} $看成是一个关于总相位$ \varphi_{r} $的函数,满足:

      $$ P_{{nor }}=\cos \left(\varphi_{r}\right) $$ (4)

      通过求解功率变化的反余弦函数可以得到的相位为:

      $$ \varphi_{r}=\arccos P_{{nor }} $$ (5)

      由于反余弦函数的值域限制,包裹相位在(0, π)范围之间。想要获得实际相位,就要对相位进行一个解包裹处理,文中提出一个极大极小值检测法来进行相位展开,图4所示为经过反余弦计算后的包裹相位,先找出包裹相位的极大值、极小值点并读取其坐标位置,其中极大值用红“o”表示,极小值用黄“*”表示。

      图  4  解包裹相位示意图

      Figure 4.  Diagram of unwrapping phase

      在极大值、极小值中利用设定阈值的方法找出转折点R,转折点即为光栅运动方向改变的点。在两个转折点之间的极大值点个数为N,极大值点用$ p(k) $表示,极小值点用$ v(k) $表示,由于余弦函数在[0, 2π]区间内不是单调函数,所以每经过一个极值点包裹相位$ \varphi_{r} $的值要做加负处理,两个转折点之间的相位展开后可表示为:

      $$ \varphi_{r}=(-1)^{n} \varphi_{ {wrap }}+(n-k-1) * 2 \pi $$ (6)

      式中:$ \varphi_{r} $表示展开后的相位;$ \varphi_{{wrap }} $表示包裹相位;$ k=(1,2,3 \cdots N) $表示极值点的序号;$ n=(0,1,2,3 \cdots 2 N) $表示每经过一个极值点n增加一个数值。每经过一个转折点,2π的加减性会发生一次改变,即在下一段的两个转折点区间的相位展开结果为:

      $$ \varphi_{r}=(-1)^{n} \varphi_{{wrap }}-(n-k-1) * 2 \pi $$ (7)
    • 实验设置了位移台沿着光栅栅格方向以1 mm/s,做单向行程为10 μm的往复的匀速直线运动时,根据如图1所示的基于平面衍射光栅的激光自混合实验系统,获得的自混合信号如图5所示。实际情况中,位移台为了在每一段位移的起点能保证以1 mm/s的初速度开始运动,会在每一段位移终止点附近通过PID振荡反馈来调节下一段位移起始点的初速度。

      图  5  经过归一化后的基于平面反射式全息光栅的激光自混合信号(二极管工作电流为40.6 mA,位移台设定为作10 μm振幅的匀速直线往复运动)

      Figure 5.  Normalized laser self-mixing signal based on the plane reflective holographic grating (The working current of laser diode is 40.6 mA, the displacement table makes a uniform linear reciprocating motion of 10 μm amplitude)

      对于图5的自混合功率信号采用反余弦法可以求得图6的包裹相位图。图6中对于反余弦函数的相位值根据相位展开方法进行了加负处理,整体的结果都处于(−π, π)之间。

      图  6  包裹相位图

      Figure 6.  Wrapped phase diagram

      基于图6的包裹相位数据,运用公式(6)和公式(7)可以获得解包裹相位,再运用公式(2)并代入光栅周期值可以获得相应的位移值,该实验采用的全息闪耀光栅周期为416.67 nm,位移重构结果如图7所示。

      图  7  基于平面反射式全息光栅的激光自混合仪的位移重建结果

      Figure 7.  Displacement reconstruction result of laser self-mixing interferometer based on plane reflective holographic grating

      图7的位移重建结果可以看到,基于反余弦方法的光栅自混合位移测量结果还原了位移台的匀速直线运动的模式,每一次单向运动的位移振幅为11 μm。为了验证光栅自混合位移测量值的重复性,基于图7的光栅自混合测量的位移重建结果,计算了每一段行程的位移值。将位移测量结果的4个平台区域进行了标记,对应位移台在方向前的静止时间段,计算了每个区域的位移平均值和方差,结果如表1所示。相邻区域的平均位移值相减可以获得它们之间的位移台行程。数据结果表明,位移台单向行程值在11.1029663 μm,比设定值10 μm稍大,这可能是由于光栅表面的不平整引入的散射噪声引起的。在位移静止区域有5.8185 nm的平均位移涨落,这主要是因采用的是光电流探测方法,无法排除系统的电子学噪声。

      表 1  光栅激光自混合干涉仪位移均值和方差

      Table 1.  Displacement mean and variance of grating laser self-mixing interferometer

      Index$ \bar{x} $/nm$ {\Delta x}_{g}/\mathrm{n}\mathrm{m} $$\mathrm{\sigma }\left(x\right)/{\rm{nm}}$
      111093.2311092.50144.7112
      20.7286−11104.23145.8710
      311104.9611112.16613.4718
      4−7.2061-9.2199
      Average value-11102.96635.818475

      为了修正光栅自混合位移重建的结果,实验中采用商用的激光干涉仪进行了位移比对校准。该商用激光干涉仪为德国Qutools公司的QuDIS型号的法布里珀罗干涉仪,其位移测量分辨率可以达到亚纳米量级。实验结果如图8所示,蓝色线条代表商用激光干涉仪位移测量结果,红色线条代表光栅自混合干涉仪位移重建信号,为了使得自混合信号与商用干涉仪信号匹配,将自混合信号整体除以了1.1086倍的线性偏差系数。结果表明,商用干涉仪的测量值与位移台设定值基本吻合,并且可以分辨出位移台在每一段位移终点处为了调整初速度而产生的振荡调整信号。对于图8的实验结果,分别计算了不同区域的商用激光干涉仪和修正后的光栅自混合测量的位移平均值和涨落,如表2所示。$ \bar{x} $代表每一个区域的位移平均值,$\Delta x_{g}$代表光栅自混合测量的三段区间的位移行程,$\Delta x$为商用干涉仪测量的三段区间的位移行程。以商用激光干涉仪的位移行程$\Delta x$为基准,计算了$\Delta x_{g}$关于$\Delta x$的相对误差,结果表明修正后的光栅自混合干涉仪的位移相对误差值小于0.30%。

      图  8  商用干涉仪与光栅自混合干涉仪重构位移比对图

      Figure 8.  Comparison diagram of reconstructed displacement between commercial interferometer and grating self-mixing interferometer

      表 2  商用干涉仪QuDIS与光栅激光自混合干涉仪位移比对测量表

      Table 2.  Displacement comparison measurement table between commercial interferometer QuDIS and grating laser self-mixing interferometer

      Index$\overline x $/nm$ \overline x $ of QuDIS/nm$ \Delta x $/nm$ \Delta x $ of QuDIS/nmError
      110006.5210003.3010005.862810000.08750.058%
      20.65723.2125−10016.4298−10003.83750.126%
      310017.08710007.0510023.58729999.46950.241%
      4−6.50027.5805---
    • 文中研究了基于平面衍射光栅反馈的激光自混合纳米位移测量方法,提出了运用反余弦方法进行相位解包裹的计算方法。在弱反馈条件下进行了实验研究,基于反余弦方法重构了实验结果,并且与商用激光干涉仪的测量结果进行了比对。实验结果表明,基于平面反射光栅的激光自混合干涉仪实现了高精度的纳米位移测量。实验系统的相位噪声引起的平均位移涨落为5.82 nm。以商用激光干涉仪的位移测量值为基准,经过1.1086的系数修正后的光栅激光自混合干涉仪的位移测量误差不超过0.241%,说明了多次位移测量依然具有较好的重复性。位移测量误差主要的来源包括闪耀全息光栅的周期不均匀性、光栅表面粗糙度以及电子学噪声。实验结果表明:基于平面衍射光栅反馈的激光自混合干涉方法可以作为一种有效的纳米位移测量方案。未来通过优化光栅自混合测量系统,比如采用由电子束直写制备的高精密光栅或者原子光刻技术制备的原子沉积光栅等结构均匀性更好、表明粗糙度更小的光栅反馈元件,或者采用机器学习相关算法减小噪声电子束噪声对于自混合信号的影响,可以进一步提高光栅自混合干涉仪的测量准确度和精度。

参考文献 (22)

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