纳米分辨率外差干涉信号处理电路相位畸变的实验研究

　　一、引言

　　随着精密工程、超大规模集成电路、材料学、微电子学等各个领域的进一步发展,到21世纪初,精密加工的精度将达到纳米甚至亚纳米的量级。目前,具有纳米级精度测量系统的实验和理论研究正广泛开展,成为高精度测量的一个重要研究方向。

　　激光外差干涉仪具有响应速度快、测量范围大、信噪比高、能够克服方向模糊且不受光强变化影响等优点,被广泛用于精密测试领域。图1是目前常用的纳米测量干涉仪系统。

　　如图1所示,塞曼激光器输出正交偏振光,一部分被直接反射,检偏后由光电接收器输出参考信号Sr;另一部分经过干涉仪系统,不同的偏振态分别历经参考光路和测量光路后被同样检偏接收形成测量信号Sm。若将上述信号直接对减计数,对于λ=0.6328μm的He-Ne激光器来说,测量分辨率为0.158μm。而对于普通非光学倍程系统来说,分辨率则仅为0.316μm。因此,对于纳米测量系统来说,需解决的问题之一就是如何处理外差信号实现纳米甚至亚纳米的分辨率。

　　文献[2]通过电子倍频、混频的方法,将外差信号640倍频,并通过高性能现场可编程门阵列(Field Pro-grammable Gate Array,简称FPGA)直接计数实现0.5nm的测量分辨率,静态测量稳定性达到1.0nm,是一种很有潜力的信号处理方法。但由于在这种信号处理方法中采用了电子倍频、混频等二阶环节,会引人处理信号的相位畸变,因此分析这些环节中产生畸变的原因、影响程度并找出消除其影响的方法是非常有必要的。本文对这些问题进行了实验研究。

　　二、基本原理

　　采用电子倍频、混频、直接计数处理外差信号实现高测量分辨率的基本原理框图如图2所示。

　　如图2所示,频率为fr的参考信号和频率为fm的测量信号分别通过锁相倍频电路实现N倍频和(N-1)倍频后,相互电子混频,得到频率为fr+Nδf的信号。为了方便描述,将上述的倍频和混频处理电路记为FMM单元,倍频数为N的FMM环节记为N-FMM。显然,通过上述N-FMM单元,测量信号和参考信号的频差由原始的δf提高到了Nδf,从而可以将分辨率提高N倍。由于电子元件的频率响应存在一定的局限,记最大值为fmax,则有

　　式(1)中的δfmax为测量信号的最大多普勒频移。如对于纵向塞曼,设中心频率为2MHz,最大多普勒频移为0.1MHz,一般电子器件最大频率为20MHz,可知N不应大于10。因此,若要得到更高的倍频数以实现高测量分辨率,还需将频率为fr+Nδf的信号和fr的参考信号再依次经过M1-FMM,M2-FMM,…,Mi-FMM等一系列倍频、混频单元,以将频差提高N×M1×M2,…,×Mi倍。此后,将测量信号和参考信号再分别L倍频后进行计数,即可实现λ/2K的测量分辨率,其中K=N×M1×M2,…,×Mi×L。通过合理地组织,N,M1,M2,…,Mi及L的数值,可以实现较高的倍频数,实现所需的分辨率。