CC BY
7
УДК 681787.7 е. в. леун
DOI: 10.25206/1813-8225-2022-183-108-116
а. е. шаханов с. ю. самойлов а. ю. колобов
АО «НПО Лавочкина», Московская область, г. Химки
ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СХЕМОТЕХНИКИ ВЫСОКОТОЧНЫХ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ АКУСТООПТИЧЕСКИХ ЛАЗЕРНЫХ ИНТЕРФЕРОМЕТРОВ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С ЧАСТОТНЫМ СОГЛАСОВАНИЕМ СОСТАВЛЯЮЩИХ БЛОКОВ И ДВОЙНОГО ГЕТЕРОДИНИРОВАНИЯ НА ЭТАПЕ ФОТОПРЕОБРАЗОВАНИЯ
В статье рассматриваются развитие схемотехники акустооптических (АО) лазерных интерферометров перемещений (ЛИП) и достижимые ими значения разрешающей способности. Обсуждаются вопросы частотного согласования блоков АО ЛИП: АО модулятора, фотоприемного устройства (ФПУ) и генератора частоты. Изучаются особенности фотопреобразования ФПУ при его освещении тремя пространственно совмещенными оптическими потоками. Из них два потока разночастотные и созданы в результате дифракции в АО модуляторе и используются для измерения фазового набега от контролируемых смещений объекта. Третий оптический поток является амплитудно-модули-рованным с частотой модуляции, близкой к разностной частоте первых двух оптических потоков. Такой прием приводит к двукратному переносу (двойное гетеродинирование) фазового набега от смещений на электрический сигнал разностной частоты между тремя оптическими потоками. Рассматриваются схемы АО ЛИП с постоянным значением частоты амплитуд-но-модулированного оптического потока и с ее автоподстройкой. Обсуждаются особенности использования в АО ЛИП охлаждаемых ФПУ.
Ключевые слова: лазерный интерферометр перемещений, гетеродинирова-ние оптических сигналов, шумы фотоприемника, джиттер генератора, фильтрация сигнала, охлаждаемый фотоприемник, автоподстройка частоты.
Введение. Совершенствование технических ха- с разрешающей способностью субпикометрических рактеристик лазерных интерферометров перемеще- значений [16, 18 — 21] и скорости движений до нений (ЛИП), в частности, разрешающей способности скольких метров в секунду.
и быстродействия, скорости движений контролиру- В [15, 16] исследуются двухканальные ЛИП емых изделий является основой задела в высокотех- с акустооптической (АО) модуляцией оптического нологическом импортозамещающем производстве потока для старт-стопных перемещений в два этапа в период санкций и в итоге высокотехнологической с «медленными точными» и «быстрыми грубыми» независимости России. Такие перспективные ЛИП измерениями. Показано, что достижение разреша-востребованы при контроле параметров формы ющей способности менее 1 пикометра возможно сверхвысокоточных зеркал космических радиоте- при рабочих частотах не более 27 — 30 МГц. лескопов, координатных измерений на координат- Составляющие блоки АО ЛИП могут иметь разных измерительных машинах, в приборо-, машино-, ные параметры. Так, современные малошумящие станкостроении, а также в опто- и микроэлектро- фотоприемные устройства (ФПУ) работают, как нике, зондовой микроскопии, нанотехнологиях, ме- правило, на частотах не выше 25 — 30 МГц. Возмож-дицине и микробиологии, атомной физике и дру- но использование охлаждаемых ФПУ с минималь-гих быстроразвивающихся высоких технологиях ным уровнем шумов. Некоторые АО модуляторы [1 — 22]. К настоящему времени перспективны ЛИП работают на частотах 30 — 60 МГц. И, как видно,
возможно большое количество схемных решений АО ЛИП для различных задач измерения смещений с разными точностными и скоростными параметрами. Это расширяет арсенал используемых комплектующих, обусловливая необходимость их частотного согласования для создания задела схемных решений перспективных высокоточных быстродействующих АО ЛИП.
Поэтому вопросы совершенствования схемотехники, обеспечения задела перспективных схемных решений при частотном согласовании всех блоков АО ЛИП является актуальной задачей. Существующие в открытой печати публикации недостаточно раскрывают эти вопросы, и данная статья направлена на восполнение этого недостатка.
1. Анализ основных технических параметров составляющих блоков высокоточных и быстродействующих АО ЛИП. Как следует из [15, 16], на разрешающую способность АО ЛИП влияет дрожание фронта сигнала генератора Д^ж по временной шкале, называемое джиттером, и уровень шумов ФПУ. Поэтому важно понимать их ожидаемые значения с учетом современного достигнутого технологического уровня. Для дальнейшего исследования принимается, что уровень шумов лазера, лазерного излучателя и АО модулятора намного ниже, чем у других блоков ЛИП, и ими можно пренебречь.
1.1. Джиттер генераторов частоты для АО ЛИП. Джиттер фронта сигнала генератора по временной шкале Дtдж формирует фазовую погрешность Дф :
т дж
Афдж = 2^1
(1)
которую с учетом выражАФия для погрешности измерений
А =
а • Аф 3о
можно записать в Аи=е урав нения
а • иап ря
А/ =-я— ■
(2)
(3)
Рис. 1. Зависимости частоты генератора / от джиттера ЛД для вносимой погрешности измерений Л1 =0,7; 0,8; 0,9; 1,0 пм
Рассмотрим влияние шумов наиболее распространенных кремниевых ФПУ [27, 28] и охлаждаемых ФПУ на основе теллурида ртути кадмия (НдСсЗТе) [29] на разрешающую способность АО ЛИП в видимом и ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн соответственно.
1.2.1. Шумы кремниевых ФПУ в видимом диапазоне длин волн. В [12, 15, 16] был рассмотрен двух-блочный АО ЛИП с использованием двух разноча-стотных кремниевых ФПУ: высокочастотным (ВЧ) и низкочастотным (НЧ) малошумящим, работающими с «быстрым грябым» и «медленным точным» измерительнымф каналами соответственно. Для расчета д=стигаемой разрешающей способности для часАотного диапэзона от 0 до 81 МГц (с учетом удобства расчетов для частот кратных 3: 0, 3, 9, 24, 81 МГц) р ан ге бы ли определены две ШЧХ для ФПУ в виде кусочно-линейных функций (рис. 2) [15]: «пессимистичеякая» для верхней границы уровня шумов
Р"
И N ЕР нч
, , . 0,00385И + 0,0075, И < 23 МГц,
(Р) = С ^ (5)
'0Д73И - 3,068, И > 23 МГц
и «оптимистииегкая» дли нижней границы уровня шумов
Как следует ии [23 — 26], coвpдмен»аIЙ мрни-мально достижимый уровень джиттера Дtдж для микросхем массового производства достигает 50 фс. Можно допустить, что в исcлeдааaтeл+cкиx целрх для единичного прчиовочства уровень джитт>р3 Д^ж может быть уменьшен др 30 фс.
С учетом этого были рнссчиталы значения р3-бочей частоты при изрангнио ЕАситтери Д2 от 30 до 150 фс с шагом 10 сер и от 0,7 пм до 1,0 пм с шагом 0,1 пм в соответсгаои с пырежением, полученным из (3):
2 А/
£ — ря
ачй
(4)
о"
ЙЕР нч
(г ) =
0,0038ЛИ + 0,0075, И < 23 МГц,
Д0
0,03ЛДИ-Д,832
И > 23 МГц.
(6)
Однако эти йЕТЧХ ерудно использовать для расчетов. Поэтому была определена ШЧХ ФПУ по имеющимся справочным значениям шумов дм пяти значений частот, максимально близким к вышлук=га н ным (ч М Гц): Р№р(1) = 0,007510-12 Вт Гц-1/2. PNEP(3) = 0+070-10-12 ВтГц-1/2, PNEP(10) = = 0,037510-12 Вт Гц-1/2, Ржр(25)=0,Ы0-12 ВтГц-1/2 [27], PNEP(Л0) = Ю' 10=12 Вт Гц-1/2 [28]. Искомая зависимость омумов PNEP(^) для диапазона частот вплоть до 80 МГц составлена на основе кубической функции (рин 2):
Как видно из графи ков (ртс. 1), при + »ffа = 30 фс реально достиженле зноченлй паститы 0едеиа>о]эа / от «75 МГц (при Н0 о = 0,7 им) дл «40(а МГц (Д! ж = = 1,0 пм).
1.2. Шумы ФПУ. Ш)йеы, фо=мируемые ФПУ,3ак-же ограничивают раз=ешающум> сносо бность АО ЛИП, а их анализ присутствует во мнчслчподобных исследованиях [4, Н, 11 = (6=
Р№р(/) = 30Д10-6/М02,7Ш-5 Р +
О (02,2а = -4/+5,540-3. (7)
Но для более точных расчетов Ршр(/ в узком диапазоне настот 0...25 МГц удобнее использовать зависимостью ш)Г20в Р^Ф, составленную на основе четырех тоцек Р^Д, ЧсEp(3), PNEP(10) и PNEP(25):
Р.ШР,
Вт/Гц' 10
0 3 6 9 12 151821242730333639424548515457 60636669 7275 7881/MTif
Рис. 2. Аппроксимированные ШЧХ ФПУ: «оптимистическая»), «пессимистическая» и на основе кубической функции
Рмвр(/)=-20М0-7/3-
-75,7110 ЯЖ ,67640-4/+9,5340-
(8)
Таким образ ом, с п омощью этой ШЧХ для нужной частоты можно определить уровень шумов PNEP(í), соотношение сигн ал/шум О л р ас считать фазовую погр ешность ж о формулж [15, 16]:
Для таких ФПУ приводят т. уоельн°ю обниружи-тельную способность С* (А, ) (в смГц1/2 /Вт), где ^тах — длина волны максимума чувствительности ФПУ [29]. Искомый параметр Ршр(л Вт/Гц'/2) связан с D*(Xmax) и корнс6с из площади фомоприемно-го кристалла ¡р [30], котхраидля квадратной его формы равна длине стороны ] : д/Ркр о ¡^ , позволяя записать слрдующее ур мнение:
0Р f
(9)
J^ïp _ )кр D (О " D* (Ятах )
(11)
и, соответственно, с учетом формулы (2), шумовую составляющую то дреш ностиизмерения перемещений А :
I _ 4 ' _ ИЕР
др
ипу
(10)
Тогда погрдшность измерения Д/ из-за шумов таких охлажда_мых Ф1ГУ гфтнмет д:
ч.-н„
Дш = 0я° • D (Чm„)VIю
(12)
где
SP1 УовУопlu
— коэффициент юстиров-
Кит м 6р
ки АО ЛИП, ДГ - ширрна АЧХ ФПУ.
' фпу 1
При использовании в ЛИП ФПУ с интегрированным предусилвтелем РРБ310-БУ (Меп1оБу81ет8) с PNEP = 30•10-12 ВтТцС 1/2 разрешающ/я способность составила Д}=1,1 нм [9]. Полученное значение пропорционально)о соотношеоия —Д1рс, согласно формуле (10), пвлволяет то лучить оценки составляющей погрешности измерения от шумов ФПУ Д1ш и для других значений Ршр, исполы^б это выражение (табл. 1): А}ш(1) = 0,00 пм, °^ш(3) = е,27 °м, А/ш(10) = = 1,35 пм, А/ш(25) = 3,61 пм для (ВПУ Л-СивЕ-Б-500-01, Л-СиВЕ-8-500-03, Л- СиВР-е-РО 0-10, Ж-СиВЕ-8-500-25 соответственно и А1ш(80) =472,22 П2 дм ФПУ ОЕ-300-81-10. И за счет применения формулы (8) для аппроксимированнойШЧХ ФПУ находим значение частоты оптических сигналов для значения А} =
^ ш
= 1 пм, составляющте «8,5 МГц. Полученное значение позволяет понять потенциально достижимый технический уровень ЛИП при использовании современных малошумящих кремниевых ФПУ.
1.2.2. Уровень шумов охлаждаемых ФПУ в ИК диапазоне длин волн. Снижение шумов ФПУ возможно при их охлаждении за счет использования охлаждающего элемента Пельтье с термодатчиком для создания системы обратной связи стабилизации температуры фотоприемного кристалла. Как правило, она поддерживается на уровне 200 — 230 К [29].
Расчеты значенир Д/ш, гфоведенные для нескольких охлаждаемых ФПУ с учетом вышесказанного и их длин волн мнксчм^га чувдтвительности также представлены м табл. 1. Кмк виднм, они не позволя-ют достичь значений лучше, чем Д1 =5,5-16,7 пм.
Как видно им рхзультатов приведенных выше расчетов, применено е в сос таве АО ЛИП охлаждаемых ФПУ на основе техлурида ртути кадаия не позволяет достичь более высокой разрешающей способности, чем кремниевых ФПУ. Далее рассматриваются особенности схемотехники АО ЛИП с понижением частоты сигнала за счет двойного гетеродинирования, под которым понимается фотопреобразование трех входных разночастотных оптических потоков: двух дифракционных E(0) и E(+1) и дополнительного ам-плитудно-модулированного.
Это двойное снижение частоты дает возможность использовать ФПУ с меньшей частотой сигнала и меньшим уровнем собственных шумов. При этом обсуждаются два типа схемотехники АО ЛИП с постоянным и переменным значением частоты амплитудно-модулированного потока (гетеродина) и, соответственно, с переменной и постоянной значениями частот фотопреобразования.
2. Состав и принцип действия АО ЛИП с двойным гетеродинированием оптических сигналов на входе ФПУ с фиксированной частотой гетеродина. Один из вариантов АО ЛИП данного типа по схеме с АО модулятором «на входе», работающий с дифракцией света в режиме Брэгга с фор-
Таблица 1
Технические характеристики ФПУ для использования в АО ЛИП
№ Модель ФПУ Длина волны X, мкм Частота сигнала, МГц Размер кристалла, мм Обнаружительная способность D*(X„J, 109смГц1/2/Вт Уровень шум°в PNEp, 10-12Вт/Гц1/2 Погрешность5, А1ш, пм
Неохлаждаемые ФПУ
1 A-CUBE-S-500-011 0,65 1,00 - - 0,0075' 0,27
2 A-CUBE-S-500-031 0,65 3,00 - - 0,0075' 0,27
3 A-CUBE-S-500-101 0,65 10,00 - - 0,0375х 1,35
4 A-CUBE-S-500-251 0,65 25,00 - - 0,1001 3,61
5 0E-300-SI-102 0,85 80,00 - - 10,002 472,22
6 PVI-4-1 х 1-T039-NW-363 3,4 6,70 1x1 40 2,505 472,22
7 PVI-5-1 х 1-T039-NW-363 4,2 6,70 1x1 30 3,335 777,78
Охлаждаемые ФПУ
8 PVI-2TE-4-Ix I-T08-wAl203-363 3,5 10,00 1x1 400 0,2505 48,61х
9 PVI-2TE-5-1 х 1-T08-wAl203-363 4,2 12,50 1x1 200 0,5005 116,67х
10 PV-3TE-334 3,0 0,02 0,1x0,1 300 0,0335 5,56х
11 PVI-2TE-334 3,0 0,02 1x1 900 0,1115 18,52х
12 PVI-3TE-334 3,0 0,02 1x1 800 0,1255 20,83х
13 PVI-4TE-334 3,0 0,02 1x1 1000 0,1005 16,67х
14 PVIA-2TE-334 2,9 0,02 1x1 500 0,2005 32,22х
Примечание: 1 — справочные данные взяты из [27];
2 — справочные данные взяты из [28];
3 — справочные данные взяты из [29];
4 — значение параметра дано при частоте оптического сигнала 20 kHz;
5 — данные получены расчетным путем по формулам (10), (11).
а)
/с t qjpXav11/^ ^у fi-faatft
fc+faoyMd
L
б)
Рис. 3. Схемы АО ЛИП с двойным гетеродинированием оптических сигналов на входе ФПУ: общая измерительная схема (а), эквивалентная схема фотопреобразования
мированием нулевого Е(0) и первого Е(+1) дифракционных порядков, изображен на рис. 3а. На нем обозначены: лазер 1, АО модулятор 2, оптическая схема 3, подвижная триппель-призма 4, генератор 5, две микролинзы 6 и 7 трехвходового волоконно-оптического (ВО) соединителя 8, лазерный излучатель 9, ФПУ 10, фильтр низких частот (ФНЧ) 11 с управляемой внешним сигналом частотой среза
/фнч, частотный детектор 12, фазовый интерполятор (в дальнейшем — интерполятор) 13, сумматор 14, фазометр малого диапазона (в дальнейшем — фазометр) 15.
Работа измерительной схемы, включающей блоки: ФНЧ 11, частотный детектор 12, интерполятор 13, сумматор 14, фазометр 15 в основе описана в [12-16]. Поэтому далее основное внимание уде-
лено на фотопреобразования оптических сигналов, частотным преобразованиям сигналов и метрологическому анализу.
В процессе работы из излучения лазера 1, следующего через АО модулятор 2, возбуждаемого сигналом U. (t) = U,cos2nf (f = const) с первого
1v ' 0 аом v аом ' 1
выхода генератора 5, формируются первый Е(+1) и нулевой Е(0) разночастотные дифракционные порядки. Они проходят через оптическую систему 3, пространственно в ней разделяются, далее следуя соответственно по маршрутам:
— для потока Е(+1): смещаемая на Д1 с объектом триппель-призма 4 ^ микролинза 6 (точка А) ^ первый вход ВО соединителя 8 ^ ФПУ 10;
— для потока Е(0): микролинза 7 (точка В) ^ второй вход ВО соединителя 8 ^ ФПУ 10.
Возможность и условия использования оптических волокон в АО ЛИП ранее уже были рассмотрены в [12-14].
Кроме того, оптический поток от лазерного излучателя 9 по сигналу U2(t) = U0cos2nf (где f = fclm/n, n — коэффициент пропорциональности) со второго выхода генератора 5 амплитудно-модулированный с частотой fr подается на вход третьего входа ВО соединителя 8 и также следует ФПУ 10.
Первый Е(+1) и нулевой Е(0) дифракционные оптические потоки интерферируют на оптическом входе ФПУ 10, осуществляя первое гетеродини-рование, формируя бегущую интерференционную картину с разностной частотой f ±f , где
J L J 0 аом доП ^
fgon — доплеровский наб ег частоты, возникающий от смещаемой на Д с объектом триппель-призмы 4. Бегущая инте рференционная картина с частотой faolt±f и оптическив поток амплитудно-модулиро-ванный с частотой f осввщают ФПУ СО, который фотопреобразует ис в высодной слектрический сигнал разностной частоты f -f ±f , осуществляя
1 аом г доП J 1
второе гетеродинированпе. Пси эвем сроиуводит-ся перенос фазового набега Дср(Д1) от умещения Д1 триппель-призмы 4 на разностную частоту faoM-fr, позволяя понизить ее до нужного значения. Эквивалентная схема растотных преобразований АО ЛИП показана на рисунке 3б (f — частота света).
2.1. Особенности двойного гетеродинирования. В рассматриваемом АО ЛИП зааожено фотоэлектрическое преобразование разных; по физической природе оптических сигналов: двух пространственно совмещенных разночастотаых интерферирующих оптических потхков EЫ0) и Е(+1) и амплитудно-мо-дулированного оптического потока, формируемого лазерным излуштелем 9. Частотные преобразования спектров сигналов показаны на рис. 4.
Для последующего анализа примем следующее допущение. Частвтр света fc2 (длина волны X2) од-номодового лазерного излучателя 9 отличается от частоты света f (длины волны XJ лазера 1 на значение, сущестд<р нно превыш ающее максимальную частоту работы ФПУ щ 0
лазер 1
J
±föo
VJ\&V™ Ыг fc2 ' Vc2+Л f
лазерный излучатель 9
а)
AfmM f. ~j.'>
Рис. 4. Общмй вид спектров сигналов: спектры оптических сигналов на входе ФПУ 10 (а), спектры сигналов послм первого гетеродинирования (б), спешны оигналов послз второго гетеродинирования (в)
Е (0) = Iï0exp[ fitofj,
E = + 1) = E0eXp[z2тт(/с1+ ff) t].
(14)
(15)
Пространственно е со вмещение двух оптических потоков Е(0) и E(+1) приводит к образованию бегущей интерференционной картины, освещающей ФПУ 10, амплитуда А2НШ которой равна:
AL = A? + A? + 2A0At cos^? + J . (16)
Так как интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды (/-A2), то выражение для формируемого фототока можно привести к виду (рис. 4б):
= 10 + Л + ^л/1017 cos|?M + fgon )], (17)
где !анш — результи]эующая интенсивность интерферирующей картины, 10 и 11 — интенсивности пространственно совмещеншкн оптических потоков.
Помимо вышеупомянутых двух оптических потоков Е(0) и Е(+ 1) на вход ФПУ также поступает амплитудно-модулированная световая волна (рис. 4а):
Er(t) = Е0(1+Mcos2f cos2Kfc2t,
(18)
где / — частота света лазерного излучателя 9, М — коэффициент амплитудной модуляции.
Выходной сигнал ФПУ 10 от фотопреобразования этого сигнала совпадает с огибающей входного амплитудно-модулированного оптического сигнала:
иг(^ =£шЦ0(1+Мсо82л//) =
2 = 2c 2 - 2d = ^ - ^ = Л 2
с(Л. - Л2 )
= 2 » 2 „ , Л 2Л1
фпу
(13)
= к U. + k UnMcos2nf t.
ам 0 ам 0 г
(19)
чтобы влиянием разностной частоты лазеров Д/л можно было пренебречь.
Итак, пройда кажды+ по своемувыоеописан-ному маршруту, на входе ФПУ 10 интерферируют два разночастотных дифракционных порядка Е(0) и Е(+1) (рис. 4а):
С учетом суперпониции двух разночастотных сигналов (17) и (19), формируемая переменная составляющая на выходе ФПУ 10 на разностной частоте меяеду частотой АО модуляции /аом и частотой генератора /примет вид (рис. 4в):
U (t)=Ncos2n(/ - f ±f) t,
rv ' v г аом д' '
где N — коэффициент пропорциональности.
Полученное выражение отражает процесс формирования сигнала разностной частоты трех оптических потоков с переносом доплеровского набега частоты / и фазового набега от смещений Д1
доп ^ 1
объекта 4.
Для обеспечения равенства скоростей контролируемых смещений в обоих направлениях значение разностной частоты измерительного сигнала / следует выбрать равной половине ширине АЧХ ФПУ 10 / =/ =Г /2:
доп изм фпу
доп изм гл
= f - f =
. f - f з f (п - 1) ,
аом аом аом V ч )
(21)
¥
2я оь з
Рис. 5. Эквивалентная схема ФПУ, включающая операции фотопреобразованил и (фильтрации низких частот
довательно включенных П-образных звеньев [31]. При его использованыяп формула дм сыотношения сигнал/подавленный сигнал и/ипс равыа:
Ы 6У>г^
_М_ з 10 У фпу
ы„„
(2 5)
где пч — частотный коо)ффициент.
С учетом этого знзуение п опруд-;уяетзя с помощью выражр ния:
Лс5Япу Ы 05аом
(22)
1
бРя 3 ■
и, соответственно, составляющую от фильтрации сигналя
бРя 3
М бр
2 2л
(24)
(при условии, что У> 1 ):
^ 1 ' г аом'
б/фЗ^.^РО я 0 0у
4у
(26)
Таким образо м, использ ование формул (21) и (22) позволяет связать часчотные параметры АО ЛИП, а именно ширину АЫХ ФПУ 10, частоту АО модуляции 1аы допуеровский сдвиг частоты 1доп и частоту генераыо с а б,
2.2. Влияние эффективноути фильтрации измерительного сигнзла на рззрешающую способность АО ЛИП. В процессе фильтрации ФНЧ 11 измерительного сигналы на этапе вуерого гетеродини-рования выделяется полезный сигнал на частоте 1 — 1 ±1 и водавзяются более высокие частоты
аом г доп иа
1 ±1 и /.
аом доп г
Однако любая фильтоацоу не идеальна и в полезном сигнале мстаются вредные соотавфеюяциу под2-вленных частот 1 ±/ и /, которые, подобно шуму,
аом доп г ±11—1 '
ограничивают разрешающум сполобность. Поэтому для определения составляющей погрешугости важ)!о рассчитать уювеньзодавленноео зигнаиа {/ пслсле фильтрации.
В соответствии с эмлм моыно записзть выражение для фазовой погрешнозти
В соотзевствии с этой Hсpмнлoу бугели расуеитз-ны значения разрешающей способности АО ЛИП Д1ф, определяемой ылиянием филуерации сигналов, от частоты АО молмляцим В дзы двух грузп злаче-ний: 0,5; 1,0, 3,0 МГц и 1°, 25 М Гц со ответственно. На рис. 6 и 7 изоУражены зависимости погрешности измерений АО ЛИП Ыф оз оастоты нО мздуляо ции / : для 0,5; 1,0 и з,0 МГцг га также (В и У5 МГц
аом
соответственно
Согласно [32], масмазмн иымлрений для прецизионного вывзнoчзcтртлoгo фазометрр суставляет Д1диап =1 нм, что длм фзз4Уьых ызмерений можно записать формулой
мРя
ом/
е
(27)
И тогда дея °^=о0 ,з 3 мкм получае м Дф = = 3,240-3 рфд.
Для вышеупомяоутооо фазометра в качестве оценки погрешности имлерений моыно использовать уровень собственных шров фазометра, достигающих уровал 8фш« 2п10-7 р ад.
(23)
погрешности
°Лфак з
МЬЛз
0,63 • 1е-6 • °у • 1е-
о о
з е,о • ю-" з о,о пм.
Как видно, пягрешность измерений фазометра не превышает 0,В пм.
Выражение для рягрядоомти фазометра в двоичном коде п имеет вмр
Исследование засоотных па]заметров в основном близко к анализу уровней шума, т. к. связано с определением соотношения уровня полезного сигнала и к уровзю подавзенного сигнала и после фильтрации ис°лпс, взияюяцего на разрешающую способность. При этом ФПУ с ограниченным частотным диапазоном м/оСано рабемотреоу у виде последовательноголоздинения ФПУ с босконечной АЧХ и встроенным ФНЧ в зоответствии с эквивалентной схемой (рис.5).
Большую селоктивность (] 20 дБ на декаду) дает двухзвенный фильтр, составленный из двух после-
^и _ °ордиал
ЬРз
Тогда п можно опзеделить по формуле:
мРдиап _
(28)
ГоГо
ЬРз
(29)
Подставляя ышеприведенные рассчитанные значения Дфдиап и 5фш в формулу (29), получаем искомую разрядность фазометра, равную п=13.
Пример 1. Рассчитаем параметры АО ЛИП со следующими параметрами. В составе АО ЛИП
з и
в.. =
диап
7
е
10 15 20 2? 30 3? 40 45 50 55 «0 /«»»МГц
Рис. 6. Зависимости погрешности фильтрации Л1ф от частоты АО модуляции Гаом для трех значений / : 0,5; 1,0 и 3,0 МГц
Л 1ф. им 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
=25 МГц
„-10МГ11
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60МГц
Рис. 7. Зависимости погрешности фильтрации от частоты АО модуляции Гаом для трех значений 1фу\ 10 и 25аМГц
Рис. 8. Схема АО ЛИП с двойным гетеродинированием оптических сигналов на входе ФПУ с автоподстройкой частоты генератора сигналом
используется ФПУ 10 модели Л-СиВЕ-81500-10 [27] с АЧХ от 0 до 10 МГц.
Допустим, на вход АО модулятора поступает сигнал с частотой 1 =40 МГц. После простран-
аом
ственного совмещения разночастотных порядков Е(0) и Е(+1) на входе ФПУ 10 формируется бегущая интерференционная картина с частотой 1 = 1 ±1 =40 МГц±1 . Лазерный излучатель
ик аом доп 1 доп ^
8 по сигналу от кварцевого генератора 5 формирует амплитудно-модулированный оптический сигнал частотой / = 45 МГц. Тогда после двойного гетеродинирования ФПУ 10 формируется выходной сигнал на разностной частоте 1 = 1 — 1 =
изм г ик
= 1-1 ±1 = 45-40±1 =5 МГц±1 . С учетом
г аом доп доп доп
того, что АЧХ ФПУ 10 составляет от 0 до 10 МГц, соответствуя Д1 =1,35 пм, а также 1 =5 МГц, соот-
ш доп
ветствуя скорости перемещений «1,58 м/с.
3. АО ЛИП с двойным гетеродинированием оптических сигналов на входе ФПУ с автоподстройкой частоты генератора. Основная особенность данного технического решения заключается в уравновешивании входного сигнала «по частоте» или «по фазе». Это позволяет реализовать частот-
ную автоподстройку частоты (ЧАПЧ) или фазовую автоподстройку частоты (ФАПЧ) [33], последняя из которых является наиболее интересным и перспективным направлением.
Схема АО ЛИП с двойным гетеродинированием оптических сигналов на входе ФПУ и ФАПЧ генератора в упрощенном виде изображена на рис. 8. Его состав почти полностью аналогичен АО ЛИП, изображенной на рис. 3. Сигнал и^) = и0со&2п! формируется генератором 5, а управляющий сигнал и2(^ = и0со82п/, согласно схеме, подводится извне, от электронной системы измерения. В этом АО ЛИП процесс измерений искомого фазового набега и, соответственно, перемещений объекта осуществляется в цифровом виде, например, встроенным высокочастотным прецизионным фазометром, подобно [30].
В связи с тем, что при реализации ФАПЧ для данного АО ЛИП частоты входных сигналов фазового детектора 11 ифуЩ и и3(() равны, то основное уравнение можно записать в виде:
1 ±1 -1 = 13.
аом доп г 3
В соответствии с ним частота f может быть уменьшена до малых значений, на уровне 20 кГц ... 1 МГц для использования ФПУ с минимальным уровнем шумов, обеспечивая уравновешивание входного сигнала, снимая существенные ограничения максимальной скорости контролируемых смещений объекта v .
^ дв
Тем не менее погрешность измерений, как и ранее, будет ограничиваться уровнем шумов ФПУ 10, но для более низкой частоты фотопреобразования. И это ограничивает скорость нарастания выходного сигнала AU^/At, то, соответственно, определяет значение максимального ускорения (или торможения) движений объекта AvgB/At. Такое ограничение является ценой стремления уменьшения шумовой составляющей погрешности измерений Al .
Пример 2. Анализ данного технического решения в основном подобен примеру 1, отличаясь лишь тем, что подбором параметров АО ЛИП в режиме работы ФАПЧ значение разностной частоты можно снизить, например, до « 1 МГц. Тогда при использовании кремниевого ФПУ A-CUBE-S-500-01 разрешающая способность, определяемая шумами, будет не больше Al « 0,27 пм.
ш '
Заключение
1. Освещение входа ФПУ тремя световыми пучками, а именно двумя интерферирующими разно-частотными дифракционными порядками E(+1) и E(0) и амплитудно-модулированным оптическим потоком позволяет реализовать двойное гетероди-нирование. Этот прием позволяет перенести фазовый набег Аф, формирующийся от смещений объекта Al, на более низкую рабочую частоту потоков и обеспечить частотное согласование АО модулятора и генератора с АЧХ ФПУ.
2. Двойное гетеродинирование в АО ЛИП может быть осуществлено с фиксированным значением частоты генератора или её автоподстройкой. В первом случае частота измерительного сигнала при разных скоростях смещений объекта, образующегося при фотопреобразовании, является переменной, изменяя уровень шумов ФПУ согласно его ШЧХ. Во втором случае частота измерительного сигнала является постоянной, снижая значение которой можно достичь максимальной разрешающей способности АО ЛИП без ограничения максимальной скорости контролируемых смещений объекта vgB.
3. В АО ЛИП с двойным гетеродинировани-ем появляется дополнительная составляющая погрешности измерений, определяемая фильтрацией сигналов в измерительном канале, которая для достижения высокой разрешающей способности накладывает дополнительные ограничения на соотношения частот сигналов.
Библиографический список
1. Cui J., Zhang P., Chen K. Laser displacement measuring device and method. CN patent 113358037; filed August 10th, 2021; published November 09th, 2021.
2. Li Y., Jin G., Luo Z. [et al.]. Equal-arm-length heterodyne laser interferometry ranging system. CN patent 103307985; filed June 09th, 2013; published April 13th, 2016.
3. Bai Y., Li Z., Lu Y. F. [et al.]. Laser heterodyne interferometric apparatus and method based on plane mirror. US patent 10907950; filed May 02th, 2018; published February 02th, 2021.
4. Игнатов С. А. Повышение разрешающей способности лазерных измерительных систем для контроля оборудования ГПС методом акустооптоэлектронной обработки информации: дис. ... канд. техн. наук. Москва, 1987. 231 с.
5. Игнатов С. А., Цибизов П. Н. Лазерные измерительные системы с пространственно-временной разверткой интерференционного поля // Датчики и системы. 2005. № 10. С. 17-19.
6. Цибизов П. Н. Пространственно-временная развертка интерференционного поля в лазерных измерительных системах // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. 2015. № 3 (15). С. 174-179.
7. Капезин С. В., Базыкин С. Н., Базыкина Н. А. [и др.]. Лазерные измерительные системы с пространственно-временной разверткой интерференционного поля // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2015. № 2 (34). С. 156-161.
8. Пат. 2645005, Российская Федерация, МПК G 01 B 9/02, G 02 F 1/11. Лазерный интерферометр / Телешевский В. И., Гришин С. Г., Бушуев С. В. № 2016145287; заявл. 18.11.16; опубл. 15.02.18, Бюл. № 5.
9. Гришин С. Г. Гетеродинная лазерная интерференционная система для измерения линейных перемещений с анизотропным акустооптическим преобразованием частоты света: дис. ... канд. техн. наук. Москва, 2012. 200 с.
10. Teleshevsky V. I., Grishin S. G. Digital transformations of the phase measurement information in the high resolution heterodyne laser interferometry // Proceedings of SPIE — The International Society for 0ptical Engineering. 2008. Vol. 7006. P. 70060E-1-70060E-7. D0I: 10.1117/12.802270.
11. Grishin S. G. Estimating phase errors in heterodyne laser interferometer measurement systems // Measurement Techniques. 2011. Vol. 54, № 8. P. 865-868. D0I: 10.1007/s11018-011-9818-5.
12. Леун Е. В. Повышение быстродействия и разрешающей способности акустооптических гетеродинных лазерных интерферометров перемещений. Адаптивный лазерный интерферометр // Омский научный вестник. 2020. № 3 (171). С. 92-98. D0I: 10.25206/1813-8225-2020-171-92-98.
13. Леун Е. В. Особенности схемотехники акустоопти-ческих лазерных систем для измерения трехкоординатных перемещений. Часть 1 // Омский научный вестник. 2020. № 5 (173). С. 103-110. D0I: 10.25206/1813-8225-2020-173-103110.
14. Леун Е. В. Особенности схемотехники акустооптиче-ских лазерных измерительных систем для контроля трехко-ординатных (3D) перемещений изделий и элементов оборудования. Часть 2 // Омский научный вестник. 2021. № 6 (176). С. 52-58. D0I: 10.25206/1813-8225-2021-176-52-58.
15. Леун Е. В. К вопросу достижения субпикометрической разрешающей способности акустооптическим двухканальным лазерным интерферометром перемещений с двумя разноча-стотными фотоприемниками // Омский научный вестник. 2022. № 2 (182). С. 110-118. D0I: 10.25206/1813-8225-2022-182110-118.
16. Leun E. V. Features of an acousto-optical two-channel laser displacement interferometer with multi-frequency photodetectors with subpycometer resolution // Journal of Physics: Conference Series. 2022. Vol. 2182. 012008. D0I: 10.1088/1742-6596/2182/1/012008.
17. Jingya Q., Wang Z., Junhui H. [et al.]. Laser heterodyne interferometer for simultaneous measurement of displacement, and roll-angle based on the acousto-optic modulators // 0ptical Micro- and Nanometrology VII. Proceedings. 2018. Vol. 10678. D0I: 10.1117/12.2307316.
18. Lawall J., Kessler E. Michelson interferometry with 10 pm accuracy // Rev. Sci. Instrum. 2000. Vol. 71. P. 2669-2676. D0I: 10.1063/1.1150715.
19. Pisani M. A homodyne Michelson interferometer with sub-picometer resolution // Measurement Science and Technology. 2009. Vol. 20. 084008. D0I: 10.1088/0957-0233/20/8/084008.
20. Libbrechta K. G., Blackb E. D. A basic Michelson laser interferometer for the undergraduate teaching laboratory demonstrating picometer sensitivity // American Journal of Physics. 2014. Vol. 83 (5). D0I: 10.1119/1.4901972.
21. Isleif К.-S, Heinzel G., Mehmet M., Gerberding О. Compact multifringe interferometry with subpicometer precision // Physical Review Applied. 2019. Vol. 12 (3). DOI: 10.1103/ PhysRevApplied.12.034025.
22. Arablu M., Smith S.T. Polydyne displacement interferometer using frequency-modulated light // Review of Scientific Instruments. 2018. Vol. 89. 055007. DOI: 10.1063/l.5026569.
23. Epson представляет кварцевые генераторы серии E с ультранизким джиттером. URL: https://www.rlocman.ru/news/ new.html?di = 535863 (дата обращения: 16.04.2022).
24. Datasheet for LMK5B12204 Ultra-Low Jitter Network Synchronizer Clock With Two Frequency Domains // Texas Instruments. URL: https://www.ti.com/ lit/ds/symlink/lmk5b12204.pdf?ts= 1650838239552&ref_ url = https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fproduct%252FLM K5B12204 (дата обращения: 14.04.2022).
25. Каталог // Crystek Corporation. URL: http:// www.radiocomp.ru/joom/images/storage/docs/broshure/ Crystek2016www.pdf (дата обращения: 25.03.2022).
26. Управляемый напряжением ПАВ-генератор от Vectron с чрезвычайно низким джиттером. URL: http://radiocomp. ru/joom/ru/component/content/article/7-novosti/481-upravlyaemyj-napryazheniem-pav-generator-ot-vectron-s-chrezvychajno-nizkim-dzhitterom (дата обращения: 11.04.2022).
27. Datasheet for model A-Cube-Series High sensitivity APD Detector Modules. URL: https://www.lasercomponents. com/de/?embedded = 1&file = fileadmin/user_upload/home/ Datasheets/lc-electronics/a-cube.pdf&no_cache = 1 (дата обращения: 25.04.2021).
28. Datasheet for model OE-300-SI-30. https://www. lasercomponents.com/de/?embedded = 1&file = fileadmin/user_ upload/home/Datasheets/femto/photoreceiver/oe-300-si-30. pdf&no_cache=1 (дата обращения: 15.04.2022).
29. Каталог VIGO system 2020-2021. URL: https://z7r8z4w7. stackpathcdn.com/wp-content/uploads/2021/03/VIG0_ katalog_2020-2021-LQ-1.pdf (дата обращения: 15.04.2022).
30. Детекторы от компании Thorlabs. URL: https://azimp. ru/articles/tech/39400/?sphrase_id = 176822 (дата обращения: 15.04.2022).
31. Трансиверы прямого преобразования. URL: https:// pandia.ru/text/80/439/55898-13.php (дата обращения: 15.04.2022).
32. Гончаренко А. М., Жмудь В. А. Прецизионный высокочастотный фазометр для измерений нановибраций // Сбор-
ник научных трудов Новосибирского государственного технического университета. 2009. № 1 (55). С. 92-98.
33. Жилин Н. С. Принципы фазовой синхронизации в измерительной технике. Томск: Радио и связь, 1989. 383 с.
ЛЕУН Евгений Владимирович, кандидат технических наук, ведущий инженер АО «НПО Лавочкина», Московская область, г. Химки. SPIN-код: 6060-8056 AuthorlD (РИНЦ): 367560 AuthorlD (SCOPUS): 57200722184 Адрес для переписки: stankin1999@mail.ru ШАХАНОВ Александр Евгеньевич, кандидат технических наук, начальник отдела AO «НПО Лавочкина», Московская область, г. Химки. SPlN-код: 2918-9632 AuthorlD (РИНЦ): 916667
Адрес для переписки: SHakhanovAE@laspace.ru САМОЙЛОВ Сергей Юрьевич, кандидат технических наук, ведущий специалист AO «НПО Лавочкина», Московская область, г. Химки. SPIN-код: 5214-1450 AuthotID (РИНЦ): 921563 Адрес для переписки: khsm@laspace.ru КОЛОБОВ Анатолий Юрьевич, кандидат технических наук, главный специалист AO «НПО Лавочкина», Московская область, г. Химки. SPIN-код: 2286-8790 AuthorlD (РИНЦ): 347762
Адрес для переписки: KolobovAIU@laspace.ru
Для цитирования
Леун Е. В., Шаханов А. Е., Самойлов С. Ю., Колобов А. Ю. Основы совершенствования схемотехники высокоточных быстродействующих акустооптических лазерных интерферометров перемещений с учетом частотного согласования составляющих блоков и двойного гетеродинирования на этапе фотопреобразования // Омский научный вестник. 2022. № 3 (183). С. 108-116. DOI: 10.25206/1813-8225-2022-183-108-116.
Статья поступила в редакцию 10.04.2022 г. © Е. В. Леун, А. Е. Шаханов, С. Ю. Самойлов, А. Ю. Колобов
