автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Гетеродинная лазерная интерференционная система для измерения линейных перемещений с анизотропным акустооптическим преобразованием частоты света

На правах рукописи

Гришин Сергей Геннадьевич

ГЕТЕРОДИННАЯ ЛАЗЕРНАЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С АНИЗОТРОПНЫМ АКУСТООПТИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЧАСТОТЫ СВЕТА

Специальность 05.11.16 Информационно-измерительные и управляющие системы (по машиностроению и машиноведению)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 С 0 Я 2012

Москва -2012

005055047

005055047

Работа выполнена на кафедре «Измерительные информационные системы и технологии» ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Телешевский Владимир Ильич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Киселев Михаил Иванович

ФГБОУ ВПО МГТУ им. Н.Э.Баумана, г. Москва

доктор технических наук, профессор Мельников Владимир Павлович ФГБОУ ВПО МАИ (НИУ), г. Москва

Ведущая организация:

ФГУП Всероссийский научно-исследовательный институт оптико-физических измерений (ВНИИОФИ), г. Москва

Защита состоится « /¿г» декабря 2012 года в часов на заседании

диссертационного совета Д212.142.04 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» по адресу: 127994, г. Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д. За, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

Автореферат разослан «

ноября 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного ,

совета, к.т.н. .—, ^ I в в * Н. И.

х. / Ч

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное развитие прецизионного машино- и приборостроения и других отраслей знаний невозможно без соответствующего развития метрологической базы, и, в большой степени, метрологического обеспечения линейных измерений.

Наиболее точными средствами для измерения линейных перемещений являются бесконтактные лазерные интерференционные измерительные системы (ЛИИС), построенные на принципах интерферометрии когерентного света. Современные ЛИИС перемещений имеют дискретность измерения перемещения менее 1 нм, погрешность средства измерения в доли мкм/м и находят применение в качестве рабочих эталонов для калибровки, поверки и аттестации измерительных преобразователей перемещений и мер длины; для проверки точности позиционирования прецизионного станочного оборудования. В качестве рабочих средств измерений ЛИИС обеспечивают обратную связь по перемещению в системах позиционирования рабочих органов станков высших классов точности (В, А и С) и координатных средств измерений.

Наивысшей потенциальной точностью и помехоустойчивостью обладают ЛИИС со смещением спектра измерительного сигнала - гетеродинные измерительные системы. В ЛИИС данного типа используют методы оптического гетеродинирования, основанные на интерференции световых пучков различной оптической частоты и последующем фотоэлектрическом детектировании поля их интерференции. Этим гетеродинные ЛИИС отличаются от гомодинных, основанных на детектировании поля интерференции одночастотных световых пучков. Анализ показывает, что перспективным в гетеродинных ЛИИС является применение акустооптических устройств сдвига частоты света, которые позволяют работать на высокой несущей частоте в десятки МГц, обеспечивая максимальную скорость контролируемого объекта на уровне нескольких м/с.

В настоящее время в гетеродинных ЛИИС применяются изотропные акустооптические модуляторы (АОМ), расположенные на входе узла интерферометра (2у§о Согрогайоп, США). Применение АОМ с изотропной дифракцией обусловлено

используемой схемой преобразования оптической частоты. Для этой схемы специфичны большие акустические мощности, требуемые для возбуждения АОМ, что вынуждает применять для обеспечения точности измерений специальные охлаждающие системы, включая системы жидкостного охлаждения. Это обстоятельство затрудняет встраивание ЛИИС указанного типа в качестве измерительных преобразователей перемещений приборов и станков и ограничивает область их применения.

Исходя из перечисленного выше, актуальной является проблема разработки отечественной ЛИИС для линейных измерений, в которой были бы сняты ограничения, накладываемые на гетеродинные измерительные системы с изотропным акустооптическим преобразованием. Таким свойствам удовлетворяет разрабатываемая ЛИИС на основе анизотропного акустооптического преобразования на выходе интерферометра с высокой несущей частотой гетеродина и фазовым преобразованием измерительной информации без понижения частоты несущей.

Цель работы заключается в повышении точности, быстродействия и расширении функциональных возможностей гетеродинных лазерных интерференционных измерительных систем для линейных измерений на принципах анизотропного акустооптического преобразования частоты света и фазового электронного преобразования измерительной информации.

Исходя из указанной цели, основные задачи исследования заключаются в следующем:

1. анализ принципов построения гетеродинных лазерных интерференционных измерительных систем для измерения и контроля линейных перемещений с субмикронной точностью и нанометрическим разрешением в широком диапазоне перемещений;

2. исследование и разработка поляризационного акустооптического преобразования частоты света на твердотельных анизотропных устройствах с избирательным фотоэлектрическим детектированием на высокой несущей частоте;

3. разработка структуры и архитектуры устройств фазового преобразования и обработки измерительной информации на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС);

4. разработка и создание экспериментальных образцов гетеродинных ЛИИС, функционирующих в различных диапазонах измерений (до 40 м) с разрешающей способностью менее 1 нм и расширенными функциональными возможностями, включая измерение отклонений от прямолинейности, параллельности, угловых измерений;

5. теоретическое и экспериментальное исследование погрешностей разработанной ЛИИС.

Методологической базой исследований послужили работы Ю. В. Коломийцова, В. И. Телешевского в области интерференционных измерений; работы В. И. Балакшия, Л. Н. Магдича, В. И. Телешевского в области исследования акустооптических устройств; работы Г. С. Горелика, В. В. Протопопова, Н. Д. Устинова в области оптического гетеродинирования; работы F. Demarest (США), Р. Groot (США), G. Е. Sommargren (США) в области гетеродинной интерферометрии; работы М. Chapman (Великобритания), W. Lee (Великобритания), G Jäger (Германия) по гомодинной интерферометрии; работы R. J. Hocken (США), В. И. Телешевского в области объемной точности станочного оборудования; работы М. К. Чмыха, Е. Д. Колтика в области фазометрии.

Методы исследования. В работе использовались методы теории гауссовых пучков, Фурье-оптики, интерференционной и поляризационной оптики, когерентной фотоники, статистической радиофизики, теории погрешностей. Расчет и моделирование параметров и погрешностей ЛИИС выполнялись в среде MATLAB. Разработка накапливающих фазометров в ПЛИС выполнялась на языке VHDL. Разработка программного обеспечения выполнялась на языке С++.

Научная новизна работы заключается:

1. в архитектуре измерительной системы с преобразованием частоты света одного из интерферирующих пучков посредством анизотропного акустооптического модулятора, установленного на выходе интерференционной схемы;

2. в способе поляризационного совмещения разночастотных оптических когерентных пучков, заключающемся в первоначальном пространственном разнесении световых пучков на поляризационном элементе на угол, равный углу между порядками дифракции света различных номеров на ультразвуковой волне, и в

последующей интерференции на выходе анизотропного акустооптического преобразователя частоты света;

3. в методе измерения набега разности фаз между измерительным и опорным электрическими сигналами на основе формирования временной нониусной шкалы посредством квантующего сигнала, полученного умножением частоты опорного сигнала на дробное число;

4. в установлении зависимости поляризационной составляющей погрешности измерения перемещения от оптической разности хода между интерферирующими пучками для различных расположений акустооптического преобразователя частоты света в интерференционной схеме.

Практическая значимость работы заключается:

1. в разработке оптической схемы ЛИИС с поляризационным преобразованием излучения и расположением анизотропного акустооптического модулятора на выходе интерферометра;

2. в разработке алгоритмов цифровой обработки измерительной информации, содержащейся в разности фаз между двумя интерферирующими световыми волнами; в разработке накапливающих фазометров на ПЛИС;

3. в разработке электронных схем преобразования измерительных сигналов высокой несущей частоты: генерации, фотоэлектрического детектирования, фильтрации, усиления, аналого-цифрового преобразования;

4. в разработке программного обеспечения для сбора, отображения, обработки измерительной информации о линейном перемещении объекта;

5. в метрологическом исследовании, обеспечивающем оценку потенциальной точности разработанной ЛИИС в зависимости от влияния шумовых факторов на этапах генерации и преобразования сигналов измерительной информации;

6. в создании действующих экспериментальных образцов ЛИИС гетеродинного типа на основе преобразователей «перемещение - фаза» с разрешением 0,6 нм на несущей частоте 40 МГц.

Реализация работы. Материалы исследований и результаты диссертации использовались при выполнении работ, в которых соискатель был ведущим исполнителем:

1. гранта Минобразования А03-3.20-102 «Лазерные акустооптические интерференционные системы для линейно-угловых измерений в прецизионных и нанометрических технологиях», 2003г. - 2004 г.;

2. НИОКР Минобрнауки «Разработка универсальных лазерных интерференционных измерительно-вычислительных систем для повышения точности измерительного и обрабатывающего оборудования в авиационно-космических технологиях», 2004г.-2005 г.;

3. государственного контракта с Минпромторгом РФ шифр ОГЖ-8-005 «Разработка технологий производства импортозамещающих лазерных интерференционных измерительных устройств как базовой системы для контроля точности в составе прецизионных станков, координатно-измерительных машин и измерительных приборов», 2007г. — 2009 г.

Результаты диссертации внедрены в Государственном инжиниринговом центре МГТУ «СТАНКИН» и используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлениям 200100 «Приборостроение», 221700 «Стандартизация и метрология».

Апробация работы и публикации. Основные положения работы обсуждались и докладывались:

1. на международной научно-технической интернет-конференции «Нанотехнология - технология XXI века», г. Москва, 2004 г.;

2. на V международном конгрессе «Конструкторско-технологическая информатика-2005», ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», г. Москва, 2005 г.;

3. на конференции «Лазеры, измерения, информация-2007», г. С.-Петербург, 2007 г.;

По теме исследования опубликовано 12 научных работ, в том числе 3 из них в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 114 наименований и трех приложений. Общий объем работы 200 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проведен анализ построения серийных гомодинных и гетеродинных лазерных интерференционных систем для измерения линейных перемещений с субмикронной точностью и нанометрическим разрешением.

«Классические» гомодинные системы имеют простую конструкцию узла излучателя, но требуют применения в узле детектирования громоздких четырех идентичных каналов оптоэлектронного преобразования измерительной информации для определения направления движения подвижного отражателя и снижения влияния на результат измерения изменения уровня измерительного сигнала, обусловленного колебаниями мощности лазера и дифракционной расходимостью измерительного пучка.

К недостаткам компактной «растровой» схемы узла детектирования гомодинной ЛИИС компании ЯетвИаи' (Великобритания) можно отнести необходимость применения растрового матричного фотоприемника, разработанного по индивидуальному заказу, и чувствительность системы к угловым рассогласованиям между опорным и измерительным пучками. Однако простота доставки одночастотного лазерного излучения с помощью оптического волокна к узлу интерферометра и возможность интеграции узла интерферометра и узла детектирования делают оправданным применение данного типа ЛИИС в качестве рабочего средства измерений в составе координатных средств измерений и технологического оборудования.

Преимущество гетеродинных ЛИИС, имеющих большую потенциальную точность по сравнению с гомодинными ЛИИС, заключается в малой чувствительности к дрейфу уровня измерительного сигнала и низкочастотным шумам фотоприемника, простой конструкции узла детектирования, содержащего один или два фотоприемника. При этом в гетеродинных ЛИИС используется фазовое преобразование измерительной информации после фотодетектирования с помощью накапливающего фазометра. Однако наличие частотного преобразования на входе

узла интерферометра не позволяет применять оптическое волокно для доставки двухчастотного излучения к узлу интерферометра, что ограничивает область применения гетеродинных ЛИИС в основном рабочими эталонами в составе метрологических комплексов.

Серийные ЛИИС гетеродинного типа с частотным преобразованием на основе акустооптических модуляторов с частотами возбуждения на уровне десятков МГц допускают большие скорости перемещения подвижного отражателя по сравнению с другими типами гетеродинных ЛИИС (например, ЛИИС с частотным преобразованием на основе эффекта Зеемана). Это позволяет повысить скорость и точность измерений. Однако высокие мощности возбуждения изотропных акустооптических модуляторов, которые используются в серийных изделиях, приводят к необходимости применения систем охлаждения для достижения заданных метрологических характеристик. При интеграции системы преобразования частоты в узел излучателя иногда требуется применение водяного охлаждения. Таким образом, при высочайших метрологических характеристиках применение ЛИИС гетеродинного типа на основе АОМ ограничено стационарными конфигурациями.

На основе вышеизложенного принято разрабатываемую ЛИИС строить по гетеродинному принципу, но с расположением АОМ на выходе узла интерферометра. Преимущества указанного построения ЛИИС раскрываются во второй главе при подробном рассмотрении структуры ЛИИС.

При разработке экспериментальных образцов ЛИИС цифровую фазовую обработку целесообразно производить на многократно программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС). Анализ методов цифровой фазометрии, на которых базируется накапливающий фазометр гетеродинной ЛИИС, показал, что наиболее подходящим с точки зрения реализации в ПЛИС (с учетом ограниченного набора примитивов и макросов, составляющих технологический базис ПЛИС) является метод дискретного счета с оптимальным дробным отношением частот квантования и опорного сигнала.

Во второй главе проводится теоретический анализ разрабатываемой ЛИИС гетеродинного типа, структурная схема которой (см. рисунок 1) состоит из четырех узлов: узла излучателя (Л), узла интерферометра (И), узла детектирования (Д) и узла

обработки (О). Принципиальной особенностью разрабатываемой ЛИИС является размещение преобразователя оптической частоты в узле детектирования после прохождения опорным и измерительным пучками узла интерферометра.

Монохроматическое излучение 2 одночастотного лазера 1 с линейной поляризацией под углом 45° и частотой V поступает на поляризационный светоделитель 3, осуществляющий разделение лазерного луча на опорный 4 и измерительный 5. После разделения опорный луч с вертикальной поляризацией направляется на неподвижный отражатель 6, а измерительный луч с горизонтальной поляризацией направляется на подвижный отражатель 7, который жестко связан с объектом, относительное перемещение которого требуется определить.

После объединения лучи направляются на узел детектирования, распространяются коллинеарно, но обладают ортогональными направлениями поляризации. Опорный луч 4 имеет частоту V, измерительный луч после отражения от подвижного отражателя приобретает частоту (V + где - частота Доплера, зависящая от скорости V подвижного отражателя:^ = 1\'Гк.

Для преобразования частоты оптического излучения в узле детектирования расположена пара оптических элементов призма Волластона 8 - акустооптический модулятор 9 (ПВ - АОМ). Призма Волластона разделяет опорный 4 и измерительный 5 лучи различных поляризаций и направляет их на анизотропный модулятор под углами, соответствующими углам дифракции Брэгга для данного модулятора и

частоты f0 акустической волны. Модулятор возбуждается радиочастотным генератором 15 (драйвером АОМ), формирующим гармонический сигнал с опорной частотой f0, амплитуда которого выбирается из условия равенства интенсивностей пучков нулевого и первого (или нулевого и минус первого) порядков дифракции на модуляторе.

Модулятор пропускает нулевые порядки опорного 10 и измерительного 13 пучков без изменения направления распространения, состояния поляризации и оптической частоты и формирует первый порядок дифракции опорного пучка 12 с измененным состоянием поляризации и частотой (v + f0) таким образом, что на выходе модулятора оказываются совмещенными и интерферируют нулевой измерительный порядок 13 с частотой (v + f¡¡) и первый опорный порядок 12 с частотой (v + f0) с равными состояниями поляризации (в данном случае с горизонтальной поляризацией). Направления поляризаций всех лучей условно показаны на рисунке 1 стрелками. Пара пучков 12 и 13 попадает на фотоприемник 14, являющийся квадратичным детектором поля. Сигнал ип на выходе фотоприемника пропорционален интенсивности поля 1п падающего света с напряженностью Еп = (Еу + Е2), где Е\ и Е2 - напряженности поля первого порядка дифракции опорного пучка и поля измерительного пучка соответственно:

г'гт ~ /гг = £гг-£гг* = £оп2 + £из«2 + 2£on£„3Mcos(27t/oí + 2л/д/), (1)

где Еоп и £изм — комплексные амплитуды полей E¡ и Е2.

Полосовой усилитель, настроенный на центральную частоту f, пропускает на выход только переменную (¡/„К составляющую сигнала ип, выражаемую третьим слагаемым в правой части равенства (1).

Узел обработки реализует накапливающий фазометр. Измерительный сигнал поступает на элемент контроля уровня R сигнала 17, блокирующем прохождение сигнала при превышении или недостаточном его уровне. Далее измерительный и опорный сигналы поступают на компараторы 18 и 19 и попадают на фазометр 20, определяющий текущее значение разности фаз ф и схему подсчета скачков фазы 21, фиксирующую количество N перескоков фазы на 2тг с учетом знака. Интегратор 22 определяет набег фазы Ф сигнала за заданный интервал времени Д/ от

начального момента tH до конечного момента ;к перемещения подвижного отражателя,

т.е. интегрирует частоту Доплера^ за время Д* - -

Ф = }/д(/)Л =271//+фк-ф„.

'и

Масштабный преобразователь 23 выполняет операцию представления измерительной информации о перемещении подвижного отражателя непосредственно в единицах длины волны света в вакууме Х0:

Дх=[Яо/(4ли)]Ф,

где п - показатель преломления среды распространения измерительного луча. Элементы 20 - 22 реализованы в ПЛИС. Особенностью узла обработки является определение текущей разности фаз ф без понижения несущей частоты /0, значение которой составляет 40 МГц.

Предложенная схема построения гетеродинной ЛИИС перемещений обладает следующими преимуществами по сравнению с существующими:

1. Применение акустооптического модулятора позволяет использовать высокие частоты модуляции оптического излучения (/0 = 40 МГц), что обеспечивает полноценную дифракцию Брэгга (отсутствуют потери мощности на паразитные дифракционные порядки) с большим значением угла разведения лучей (удобство и малые габариты оптической схемы); ослабляет требования к добротности полосно-пропускающих фильтров.

2. Применение схем получения и обработки фазового сдвига без понижения частоты несущей позволяет проводить измерения на высоких скоростях движения рабочего органа станка, что повышает быстродействие и точность выполнения измерительных процедур.

3. Размещение модулятора оптического излучения после узла интерферометра позволяет проводить преобразование гомодинных систем в гетеродинные; обеспечивает возможность подведения оптического излучения к интерферометру с помощью оптического волокна.

4. Применение анизотропного акустооптического модулятора обеспечивает минимизацию уровня электрической мощности возбуждения и нормализацию температурного режима модулятора, а следовательно, допускает возможность конструктивного размещения модулятора вместе с интерферометром при сохранении

высоких метрологических характеристик.

Рассматриваемая в диссертации математическая модель оптоэлектронных преобразований позволяет оценить влияние различных факторов (см. рисунок 2) на погрешность измерения перемещения.

Рисунок 2 - Влияющие факторы для ЛИИС

Зависимость набега фазы Ф(7) между измерительным и опорным электрическими сигналами на входе фазометра от перемещения Ах(1) объекта и регулярных составляющих влияющих факторов можно представить в следующем виде:

Ф = 4кпдл'/Х„ + 4к(п-пн)хн + фп0.1[(^н+Дх')п], (2)

где п и пн - текущий и начальный показатели преломления среды распространения измерительного пучка; дг„ - начальное перемещение объекта относительно точки равных оптических путей, введенное для учета смещения начальной точки от температуры - погрешности «мертвого» хода; Дх' - линейная функция относительно измеряемого текущего перемещения Дх, определяемая геометрическими погрешностями юстировки (косинусной и Аббе); фпол - функция, определяющая поляризационную погрешность измерения ЛИИС, обусловленную отклонением направлений поляризации излучения от идеальных. В диссертации выведены аналитические зависимости для составляющих поляризационной погрешности на основе применения матриц Джонса. Показано, что при определенных допущениях разрабатываемая гетеродинная ЛИИС (как и гомодинные ЛИИС) нечувствительна к

постоянному значению эллиптичности лазерного излучения (эллиптичность вносит лишь постоянную фазовую добавку), которая приводит к периодической относительно оптической разности хода 50пт погрешности Д$ в серийных гетеродинных ЛИИС с расположением АОМ на входе интерферометра (см. рисунок 3).

Рисунок 3 - Поляризационная погрешность As при эллиптичности в 0,01 рад.

Средний квадрат фазового шума ф^ на входе фазометра после оптоэлектронного преобразования можно оценить, используя выражение:

9«--- (¿Wo) J&,, ,

Sh Ус.Го„Г™

где Д/ - полоса пропускания аналогового фильтра; q - заряд электрона; /0 -интенсивность излучения лазера; S - чувствительность фотодетектора; PNEp ~ эквивалентная оптическая мощность шумов усилителя; - средний квадрат

джиттера подсистемы ФАПЧ для формирования сигнала квантования фазометра; уоп и уизм - коэффициенты потерь оптической мощности, учитывающие несогласованность размера чувствительной площадки фотодетектора и диаметра пучка, виньетирование, дифракционную расходимость опорного и измерительного пучков; усв - коэффициент связи, учитывающий неполное согласование волновых фронтов и степень перекрытия оптических пучков. В диссертации приводятся парциальные зависимости коэффициентов уоп, уи,м, усв от вышеперечисленных факторов.

Аддитивные шумовые компоненты набега фазы срл и <рд, обусловленные

шириной спектральной линии лазера и драйвера АОМ, как показано в диссертации, вносят незначительный вклад в погрешность перемещения ЛИИС.

Метод дискретного счета с оптимальным дробным отношением N/K (N., К - целые) частот квантования /кв и опорного сигнала f„, предназначенный для реализации в накапливающем фазометре, основан на формировании смещаемой в каждом периоде опорного сигнала (с периодом Т0 = \//0) последовательности импульсов квантования на величину TJN, составляющую ПК долю периода сигнала квантования и определяющую разрешающую способность метода, и последующем усреднении К значений фазы. Усреднение выполняется после учета скачков фазы.

Среднеквадратическое значение погрешности квантования 2k/(n412)

позволяет обеспечить нанометрическое разрешение при использовании ПЛИС путем соответствующего выбора параметра N. Погрешность фазометра ФкСК) =^jq>l определялась методом статистического моделирования для заданной спектральной плотности мощности St*(f) входного шума <pBN (см. рисунок 4).

Рисунок 4 - Погрешность фазометра при наличии шума наблюдения

Акустооптическое преобразование исследовалось для геометрии неколлинеарных широкоапертурных фильтров, обладающих малой чувствительностью к угловому рассогласованию пучков относительно АОМ.

На основе оценок составляющих погрешности измерения перемещения ЛИИС был составлен оценочный бюджет неопределенностей и получено значение

стандартной неопределенности измерения ив ЛИИС, оцениваемой по типу В, при типичных значениях воздействующих факторов:

ив = [(7 нм)2 + (1,5-1'Ю"7)2]1'2, где Ь - значение измеряемого перемещения.

В третьей главе приводятся сведения о разработке экспериментальных образцов ЛИИС и результаты метрологического анализа разработанной ЛИИС гетеродинного типа А2 (см. рисунок 5).

Рисунок 5 - Фотография гетеродинной ЛИИС А2

Результаты исследования акустооптического преобразования на пяти образцах модуляторов из парателлурита (разработка д.т.н., проф. Л. Н. Магдича, ОАО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха») подтвердили перспективность использования анизотропных АОМ, электрическая мощность возбуждения которых для рабочей точки дифракции, при которой половина выходной оптической мощности перекачивалась в первый дифракционный порядок, не превышала 100 мВт. Угол разведения порядков дифракции составлял 2,2 градуса; эффективность дифракции была не менее 85%.

На первом этапе метрологического анализа определялись характеристики фазоизмерительного канала, на втором - ЛИИС в целом.

Накапливающий фазометр фазоизмерительного канала реализован на ПЛИС семейств ЭраПап-З, ЗАК (ХШпх) с частотой квантования = (513/128) 40 МГц = = 160,3124 МГц. Метод обеспечивает временное разрешение на уровне ткв = 7;п/513 = 49 пс, где Т0„ - период опорного сигнала (Топ = 25 не), что соответствует разрешению по перемещению хр = 0,6 нм.

Характеристика преобразования фазоизмерительного канала, содержащего

разработанный накапливающий фазометр на ПЛИС, на интервале однозначности генератора-калибратора представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Характеристика преобразования фазоизмерительного канала

С учетом полученных данных для фазоизмерительного канала заявлены следующие метрологические характеристики:

1. предел допускаемого значения систематической составляющей основной погрешности: 3° (2,6 нм);

2. предел допускаемого значения среднеквадратического отклонения (СКО) случайной составляющей основной погрешности: 1° (0,9 нм).

Накапливающий фазометр сохранял работоспособность в диапазоне частот измерительного сигнала /иы = (40±17) МГц. Приведенные данные свидетельствуют о возможности встраивания фазоизмерительного канала в ЛИИС допустимой скоростью контролируемых перемещений до 5,3 м/с.

Для проверки метрологических характеристик системы в целом было предложено и проведено коллинеарное сличение показаний разработанной гетеродинной ЛИИС А2 и гомодинной ЛИИС XL-80, Renishaw (см. рисунок 7), основанное на применении одного лазера и одного набора оптических элементов интерферометра.

В схеме коллинеарного сличения колебания температуры и неточность задания перемещения задатчиком одинаковым образом отражается на показаниях ЛИИС. Коллинеарное сличение возможно только для гетеродинных систем с расположением

частотного преобразования на выходе узла интерферометра, в частности, для разработанной ЛИИС А2 (см. рисунок 7).

Рисунок 7 - Коллинеарное сличение ЛИИС А2 и XL-80 (Renishaw)

Цифрами на рисунке 7 отмечены следующие позиции:

1 - лазерный блок гомодинной ЛИИС XL-80 (Renishaw);

2 — лазерный блок разработанной гетеродинной ЛИИС А2;

3 - разработанный для проведения сличений задатчик перемещения с диапазоном ЬтгхЫ = 5 мм;

4 - неполяризационный светоделитель для размножения коллинеарных опорного и измерительного пучков различных поляризаций.

Линиями со стрелками на рисунке 7 отмечен ход опорного и измерительного пучков. Сличение проводилось на интервале L = 200 мм путем перемещения задатчика вдоль направляющей в последовательный ряд позиций с шагом 40 мм (без прерывания процесса измерений), изменения в каждой позиции положения подвижного отражателя, размещенного на задатчике, в диапазоне ¿пих(з) = 5 мм с шагом 0,5 мм и сравнения показаний ЛИИС. Результаты сличения в одной из позиций задатчика на границе интервала L = 200 мм представлены на рисунке 8.

По оси х графика отложено относительное перемещение Дх подвижного отражателя. По оси у - разность (х2 —х,) выборочных средних показаний гомодинной (х2) и гетеродинной (Зё,) ЛИИС. По результатам измерений можно сделать вывод, что на интервале L = 200 мм не наблюдается прогрессивных отклонений, линейно

зависящих от Ах, а значения отклонений сравнимы по величине с неопределенностью единичных измерений гомодинной и гетеродинной ЛИИС, обусловленных, главным образом, нестабильностью самого задатчика перемещений.

х2 - дг, НМ А Т

стандартная неопределенность единичного 1 измерения их2 гомодинной ЛИИС

10-

М х, мм

-10- стандартная неопределенность единичного [ измерения ил гетеродинной ЛИИС

Рисунок 8 - Результаты сличения ЛИИС

Проведенные исследования функционирования ЛИИС на больших базах = 10 м) и при высоких скоростях перемещения отражателя (у^ = 1,5 м) по критериям отсутствия ложных скачков фазы и пропадания измерительного сигнала показали положительные результаты.

По техническому заданию автора компанией «Наноспектрум инструменте» (Россия) была разработана подсистема компенсации влияния параметров окружающей среды на результат измерения перемещений, обеспечивающая расширенную неопределенность измерения показателя преломления и„ а 2-10"7 (к = 2).

С учетом относительной неопределенности длины волны лазера (не более 10~7 в течение года), возможностей контроля условий окружающей среды, проведенных сличений для разработанной ЛИИС заявляются следующие характеристики: расширенная неопределенность измерения перемещений и = 0,5 мкм/м (коэффициент охвата к = 2) при температуре Т = 20 ± 2°С; максимальная скорость перемещения объекта утлч = 1,5 м/с (при расширении полосы пропускания аналоговых фильтров фазоизмерительного тракта может быть увеличена до 5,3 м/с); диапазон измерения перемещения ¿„^ = 10 м (работоспособность в диапазоне контролируемых перемещений ¿тач = 40 м с использованием дополнительного коллиматора показана теоретически).

В четвертой главе рассмотрены перспективные направления развития

разработанной ЛИИС перемещений гетеродинного типа.

Одним из направлений развития ЛИИС является расширение функциональных возможностей. Поскольку функциональность ЛИИС определяется узлом интерферометра, не затрагивая остальные аппаратные узлы, разработанную систему можно адаптировать для измерения различных геометрических величин: угловых перемещений, отклонений от плоскостности, параллельности, перпендикулярности.

Другое направление развития связано с конструктивными улучшениями узлов ЛИИС с целью повышения метрологических характеристик, уменьшения габаритов и потребляемой мощности:

1. Замена газового лазера на полупроводниковый. Одним из перспективных, но еще не нашедших применения в серийных ЛИИС, методов стабилизации частоты полупроводниковых лазеров, сочетающим высокую относительную стабильность длины волны на уровне 10"7 с компактностью лазера, является метод стабилизации с использованием микросферических резонаторов.

2. Применение оптических волокон. Разработанная ЛИИС предоставляет возможность применения оптического волокна как для доставки лазерного излучения в интерферометр (что затруднено для серийных гетеродинных систем), так и для вывода поля интерференции из узла интерференции в узел детектирования (в отличие от гомодинных систем требуется только одно волокно).

3. Применение зеркал в узле интерферометра. Оптическая схема ЛИИС с использованием компактного интерферометра с отражательными зеркалами вместо призм, известная из гомодинной интерферометрии (SIOS Meßtechnik GmbH, Германия), упрощается при адаптации ее для разработанной ЛИИС гетеродинного типа из-за уменьшения количества фотоприемников до одного. На рисунке 9 показан фрагмент структуры разработанной ЛИИС, интегрированной с зеркальным интерферометром (узлы обработки и детектирования не показаны).

На рисунке 9 отмечены следующие позиции: 1 - лазер; 2 - одночастотное излучение; 3 - компактный поляризационный светоделитель; 4 - опорный пучок; 5 -измерительный пучок; 6а и 7а - четвертьволновые пластины; 6 - неподвижное зеркало; 7 - подвижное зеркало. Поляризации излучения показаны на рисунке 9 стрелками.

Перечисленные направления развития ЛИИС показывают перспективность принципа построения ЛИИС, лежащего в основе разработанной системы.

Рисунок 9 - ЛИИС на основе компактного зеркального интерферометра

В заключении изложены основные выводы и результаты, полученные в работе.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Повышение точности измерительной системы обеспечивается и подтверждается следующими положениями:

а) теоретически показано, что при расположении схемы акустооптического преобразования частоты на выходе интерференционной схемы исключается составляющая поляризационной погрешности, обусловленная эллиптичностью излучения лазера;

б) экспериментально показано, что предложенный в работе способ совмещения опорного и измерительного разночастотных пучков непосредственно в анизотропном акустооптическом модуляторе обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум на выходе аналогового фильтра узла обработки 42 дБ, обеспечивая потенциальную чувствительность определения перемещения на уровне 0,3 нм;

в) полученные экспериментально параметры фазоизмерительного канала ЛИИС (в единицах длины): номинальная ступень квантования дгр = 0,6 нм; предел допускаемого значения СКО случайной составляющей основной погрешности *п(ск) = 0,9 нм при частоте несущей/) = 40 МГц, свидетельствуют о пригодности использования фазоизмерительного канала в ЛИИС гетеродинного типа с нанометрическим разрешением;

г) экспериментальные результаты сличения разработанной системы с гомодинной ЛИИС показывают сравнимый уровень точности (значение расширенной неопределенности измерений и = 0,5 -10"6 (Л; = 2)), что свидетельствует о высоких метрологических характеристиках системы.

2. Повышение быстродействия ЛИИС подтверждается экспериментально:

а) работой накапливающего фазометра на несущей частоте/0 = 40 МГц в диапазоне частот измерительного сигнала /шм = (40±17) МГц без понижения частоты несущей, что обеспечивает превосходство в максимальной скорости контролируемых перемещений на 20% по сравнению с известными серийными гетеродинными акустооптическими системами (у,™* = 5,3 м/с вместо = 4,4 м/с).

б) работоспособностью ЛИИС с максимальной скоростью контролируемых перемещений у^ч = 1,5 м/с, что обеспечивает превосходство в скорости на 50% по сравнению с известными гетеродинными ЛИИС зеемановского типа (у^ = 1 м/с)-

3. Расширение функциональных возможностей обеспечивается:

а) применением разработанной ЛИИС в качестве измерительных преобразователей перемещений из-за простоты доставки лазерного излучения к интерферометру посредством элементов волоконной оптики;

б) возможностью замены интерференционного узла для проведения других видов измерений: угловых, отклонений от прямолинейности, параллельности, перпендикулярности.

4. С помощью построенной математической модели влияния собственных шумов ЛИИС на погрешность измерения перемещения теоретически показано, что:

а) среднеквадратическое значение фазового шума на выходе фазометра не превосходит двух номинальных ступеней квантования, величина которой составляет дгр = 0,6 нм;

б) наибольший вклад в фазовый шум на выходе фазометра вносит фазовый шум подсистемы ФАПЧ и амплитудный шум усилителя фототока (среднеквадратическое значение шума на уровне д-р = 0,6 нм). Наименее значимым является фазовый шум, обусловленный шириной спектральной линии лазера и драйвера АОМ (менее 0,02лр). Дробовый шум от сигнальной засветки фотоприемника находится на промежуточном уровне (на уровне 0,2 дгр);

в) накапливающий фазометр обеспечивает подавление уровня фазовых шумов ЛИИС от 20% до 40% (отношение среднеквадратических значений на выходе и входе фазометра) в зависимости от уровня фазового шума на его входе.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Телешевский В. И., Гришин С.Г. Гетеродинная лазерная интерферометрия с цифровым фазовым преобразованием измерительной информации // Измерительная техника. -М. : ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ», 2006,-№6.-С. 13-18.

2. Гришин С. Г. Оценка фазовой погрешности в гетеродинных лазерных интерференционных измерительных системах // Измерительная техника. - М. : ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ», 2011. - №8. - С. 11-13.

3. Гришин С. Г. Анализ поляризационной составляющей погрешности измерения в гетеродинных лазерных интерференционных измерительных системах // Метрология. - ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ», 2011. -№12. - С. 19-34.

Статьи и материалы конференций:

4. Телешевский В. И., Гришин С. Г. Цифровая обработка измерительных сигналов гетеродинных лазерных интерферометров с использованием программируемой логики // Материалы Международной научно-технической интернет-конференции «Нанотехнология - технология XXI века». - М. : Изд-во МГОУ, 2004. - С. 17-28.

5. Телешевский В. И., Гришин С. Г. Построение измерительной информационной системы для нанометрологии на принципах гетеродинной лазерной интерферометрии // Труды конгресса «V международный конгресс «Конструкторско-технологическая информатика-2005». - М. : ИЦ ГОУ МГТУ «Станкин», «Янус-К», 2005.-С. 146-150.

6. Телешевский В. И., Гришин С. Г. Гетеродинный лазерный интерферометр с цифровой обработкой измерительной информации для нанометрологии // Компетентность. - М. : Академия стандартизации, метрологии и сертификации, 2005. -№9.-С. 34-39.

7. Teleshevskii V. I. Grishin S. G A heterodyne laser interferometer with digital

phase conversion // Measurement Techniques. - New York : Springer, 2006. - V. 49. - N. 6. -P. 526-529.

8. Телешевский В. И., Гришин С. Г. Цифровые фазовые преобразования измерительной информации в гетеродинной лазерной интерферометрии высокого разрешения // Вестник Санкт-Петербургского отделения Академии инженерных наук им. А. М. Прохорова. - СПб. : Изд-во Политехнического ун-та, 2007. - №3. - С. 90102.

9. Телешевский В. И., Гришин С.Г. Измерительная информационная система для нанометрологии // Вестник МГТУ «Станкин». - М. : МГТУ «Станкин», 2008. -№2(2). - С. 33^t0.

10. Teleshevsky V. I., Grishin S. G Digital transformations of the phase measurement information in the high resolution heterodyne laser interferometry // Proceedings of SPIE. - 2008. - V. 7006. - P. 70060E-1-70060E-7.

11. Grishin S. G Estimating phase errors in heterodyne laser interferometer measurement systems // Measurement Techniques. - New York : Springer, 2011. - V. 54. -N. 8. - P. 865-868.

12. Grishin S. G An analysis of the polarization component of the measurement error in heterodyne laser interferometer measurement systems // Measurement Techniques. -New York: Springer, 2012. -V. 54,- N. 12.-P. 1378-1387.

Подписано в печать: 07.11.2012 Объем: 1.5 усл.п.л. Тираж: 100 экз Заказ № 658 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, ул. Рождественка, д. 5/7, стр. 1 (495) 623-93-06; www.reglet.ru

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЙ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ.

1.1. Применение интерференционных методов измерений.

1.2. Анализ гомодинных методов лазерной интерферометрии.

1.3. Гетеродинные методы лазерной интерферометрии: особенности и преимущества.

1.4. Стабилизированные лазеры для гомодинных и гетеродинных ЛИИС.

1.5. Анализ методов цифровой фазометрии.

1.6. Постановка задач исследования.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕТЕРОДИННОЙ ЛАЗЕРНОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ.

2.1. Принцип построения гетеродинной лазерной интерференционной системы для измерения линейных перемещений.

2.2. Математическая модель преобразований и структура погрешности разрабатываемой ЛИИС.

2.3. Исследование параметров источника когерентного излучения.

2.4. Исследование геометрических погрешностей.

2.4.1. Косинусная погрешность.

2.4.2. Погрешность Аббе.

2.4.3. Погрешность «мертвого» хода.

2.4.4. Перекрытие оптических пучков.

2.4.5. Расходимость оптического излучения.

2.4.6. Согласование фронтов.

2.5. Исследование акустооптического преобразования.

2.6. Исследование поляризационной погрешности.

2.6.1. Отклонение коэффициентов пропускания и отражения поляризационного светоделителя от идеальных.

2.6.2. Поворот осей поляризационного светоделителя.

2.6.3. Эллиптичность лазерного излучения.

2.7. Влияние параметров окружающей среды.

2.8. Исследование оптоэлектронного преобразования.

2.9. Исследование фазового преобразования.

2.10. Бюджет неопределенности ЛИИС.

2.11. Выводы.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕТЕРОДИННОЙ ЛАЗЕРНОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ЛИНЕЙНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ.

3.1. Экспериментальные образцы гетеродинных ЛИИС.

3.2. Анализ акустооптического преобразования.

3.3. Электронный тракт преобразования измерительной информации.

3.4. Электронные узлы преобразования измерительной информации.

3.4.1. Фотоприемник с предусилителем.

3.4.2. Драйвер АОМ.

3.4.3. Узел компараторов.

3.4.4. Узел контроля уровня измерительного сигнала.

3.4.5. Накапливающий фазометр.

3.4.6. Коммуникационный узел.

3.5. Метрологический анализ фазоизмерительного канала.

3.6. Экспериментальный образец ЛИИС А2.

3.7. Коллинеарное сличение ЛИИС А2 и ЛИИС XL-80.

3.8. Проверка функционирования ЛИИС на больших базах.

3.9. Разработка программного обеспечения ЛИИС.

3.10. Выводы.

ГЛАВА 4. ПУТИ ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ ГЕТЕРОДИННОЙ ЛАЗЕРНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ СИСТЕМЫ.

4.1. Направления дальнейшего развития ЛИИС.

4.2. Применение ЛИИС для измерения других геометрических величин.

4.2.1. Измерение угловых перемещений.

4.2.2. Измерение отклонений от прямолинейности.

4.2.3. Измерение отклонений от перпендикулярности.

4.2.4. Измерение отклонений от плоскостности.

4.3. Использование зеркал в качестве подвижных отражателей ЛИИС.

4.4. Конструктивные способы уменьшения геометрических погрешностей для прецизионных измерений перемещений.

4.5. Применение полупроводниковых лазеров.

4.6. Динамические погрешности ЛИИС.

4.7. Выводы.

Актуальность темы. Современное развитие прецизионного машино- и приборостроения и других отраслей знаний невозможно без соответствующего развития метрологической базы, и, в большой степени, метрологического обеспечения линейных измерений.

Наиболее точными средствами для измерения линейных перемещений являются бесконтактные лазерные интерференционные измерительные системы (ЛИИС), построенные на принципах интерферометрии когерентного света, в которых в качестве эталона длины выступает длина волны лазерного излучения [95]. Современные ЛИИС перемещений имеют дискретность измерения перемещения менее 1 нм, погрешность измерения в доли мкм/м и находят применение в качестве рабочих эталонов для калибровки, поверки и аттестации измерительных преобразователей перемещений и мер длины; для проверки точности позиционирования прецизионного станочного оборудования.

В качестве рабочих средств измерений ЛИИС используются в системах позиционирования рабочих органов станков высших классов точности (В, А и С) и координатных средств измерений, а также широкого спектра приборов и систем: зондовых микроскопов, платформ литографических степперов, приборов адаптивной оптики и др.

На базе ЛИИС перемещений возможно построение многофункциональных комплексов для измерения большого количества пространственных функций, включая измерение параметров, характеризующих объемную точность станочного оборудования [61].

В гомодинных ЛИИС перемещений используют одночастотный источник лазерного излучения и детектируют и обрабатывают электрические сигналы постоянного тока. При этом измерительная информация о перемещении заключена в амплитуде электрического сигнала. Для определения направления перемещения и устранения влияния колебаний мощности лазера и паразитных засветок в гомодинных ЛИИС приходится использовать несколько (на практике -не менее четырех) фотоприемников и электронных каналов преобразования измерительной информации с идентичными характеристиками, что усложняет конструкцию ЛИИС. Однако низкочастотные флуктуации в оптическом и электронном трактах ограничивают точностные характеристики гомодинных ЛИИС.

Для минимизации влияния низкочастотных шумов на результаты измерений применяют ЛИИС со смещением спектра измерительного электрического сигнала — гетеродинные ЛИИС, в которых используют методы оптического гетеродинирования - смещение оптической частоты опорного пучка и последующего детектирования разночастотных оптических сигналов. При этом измерительная информация заключена в разности фаз между опорным и измерительным электрическими сигналами. В серийных гетеродинных ЛИИС смещение оптической частоты осуществляется двумя способами: внутри лазера с использованием эффекта Зеемана (эффекта расщепления линии генерации лазера в аксиальном магнитном поле) и с применением акустооптических модуляторов. ЛИИС, построенные на эффекте Зеемана, не позволяют работать на высокой несущей частоте, ограничивая скорость перемещения подвижного отражателя, снижая скорость и увеличивая время измерений, что, в свою очередь влияет на точность измерений. Кроме того, внешние магнитные поля, создаваемые приводами технологического оборудования, влияют на магнитное поле внутри резонатора лазера, что приводит к флуктуациям разностной частоты и ограничивает применение гетеродинных ЛИИС с зеемановским расщеплением в промышленности.

Более перспективным выглядит применение в гетеродинных ЛИИС акустооптических устройств сдвига частоты света, которые позволяют работать на несущей частоте в десятки МГц. На сегодняшний день получили распространение ЛИИС с изотропными модуляторами, расположенными на входе узла интерферометра [77]. Применение модуляторов с изотропной дифракцией обусловлено используемой схемой преобразования оптической частоты [99].

Большие акустические мощности, требуемые для возбуждения изотропных модуляторов, вынуждают применять для обеспечения точности специальные охлаждающие системы, включая системы жидкостного охлаждения [114]. Это затрудняет встраивание ЛИИС указанного типа в устройства в качестве измерительных преобразователей перемещений и ограничивает область их применения.

В настоящей работе предлагается принципиально новый способ построения гетеродинной ЛИИС перемещений на основе анизотропного акустооптического преобразования частоты с размещением акустооптического устройства на выходе узла интерферометра и фазовым преобразованием измерительной информации на базе программируемых логических интегральных схем на высокой частоте несущей без понижения частоты модуляции. Указанная особенность размещения АОМ позволяет трансформировать гомодинную ЛИИС в гетеродинную путем встраивания узла преобразования частоты после интерферометра, придавая ЛИИС все положительные свойства гетеродинного преобразования: высокую помехоустойчивость, простоту реализации оптоэлектронного преобразования, фазовую цифровую обработку измерительной информации. Вместе с тем, в отличие от серийных гетеродинных систем, упрощается применение оптического волокна для доставки лазерного излучения к интерферометру; появляется возможность разместить АОМ в узле детектирования; упрощается процедура юстировки ЛИИС в процессе изготовления за счет визуального контроля интерференционной картины; появляется возможность коллинеарного сличения результатов измерения гомодинной и гетеродинной ЛИИС с использованием одного источника лазерного излучения и одного узла интерферометра.

Предлагаемое в диссертации построение ЛИИС гетеродинного типа можно рассматривать в качестве базы для различных средств измерения геометрических параметров объектов и траекторий движения.

Создание отечественных эталонных средств измерений, включая ЛИИС для измерения линейных перемещений, является важным условием обеспечения технологической безопасности страны. При этом разработка новой оригинальной схемы размещения оптических компонентов и алгоритмов обработки измерительной информации является необходимым условием для обеспечения патентной чистоты ЛИИС.

Исходя из перечисленного выше, актуальной является проблема разработки отечественной ЛИИС для линейных измерений, в которой были бы сняты ограничения, накладываемые на гетеродинные измерительные системы с изотропным акустооптическим преобразованием. Таким свойствам удовлетворяет разрабатываемая ЛИИС на основе анизотропного акустооптического преобразования на выходе интерферометра с высокой несущей частотой гетеродина и преобразованием измерительной информации без понижения частоты несущей.

Цель диссертационной работы заключается в повышении точности, быстродействия и расширении функциональных возможностей гетеродинных лазерных интерференционных измерительных систем для линейных измерений на принципах анизотропного акустооптического преобразования частоты света и фазового электронного преобразования измерительной информации.

Исходя из указанной цели, основные задачи исследования заключаются в следующем:

1. анализ принципов построения гетеродинных лазерных интерференционных измерительных систем для измерения и контроля линейных перемещений с субмикронной точностью и нанометрическим разрешением в широком диапазоне перемещений;

2. исследование и разработка поляризационного акустооптического преобразования частоты света на твердотельных анизотропных устройствах с избирательным фотоэлектрическим детектированием на высокой несущей частоте;

3. разработка структуры и архитектуры устройств фазового преобразования и обработки измерительной информации на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС);

4. разработка и создание экспериментальных образцов гетеродинных

ЛИИС, функционирующих в различных диапазонах измерений (до 40 м) с разрешающей способностью менее 1 нм и расширенными функциональными возможностями, включая измерение отклонений от прямолинейности, параллельности, угловые измерения;

5. теоретическое и экспериментальное исследование погрешностей разработанной ЛИИС.

Методологической базой исследований послужили работы Ю. В. Коломийцова, В. И. Телешевского в области интерференционных измерений; работы В. И. Балакшего, Л. Н. Магдича, В. И. Телешевского в области исследования акустооптических устройств; работы Г. С. Горелика, В. В. Протопопова, Н. Д. Устинова в области оптического гетеродинирования; работы F. Demarest (США), P. Groot (США), G. Е. Sommargren (США) в области гетеродинной интерферометрии; работы М. Chapman (Великобритания), W. Lee (Великобритания), G. Jäger (Германия) по гомодинной интерферометрии; работы R. J. Hocken (США), В. И. Телешевского в области объемной точности станочного оборудования; работы М. К. Чмыха, Е. Д. Колтика в области фазометрии.

Методы исследования. В работе использовались методы теории гауссовых пучков, Фурье-оптики, интерференционной и поляризационной оптики, когерентной фотоники, статистической радиофизики, теории погрешностей. Расчет и моделирование параметров и погрешностей ЛИИС выполнялось в среде MATLAB, математические модели оптических преобразований описывались на М-языке. Разработка фазометров в ПЛИС выполнялась на языке VHDL. Разработка программного обеспечения выполнялась на языке С++.

Научная новизна работы заключается:

1. в архитектуре измерительной системы с преобразованием частоты света одного из интерферирующих пучков посредством анизотропного акустооптического модулятора, установленного на выходе интерференционной схемы;

2. в способе поляризационного совмещения разночастотных оптических когерентных пучков, заключающемся в первоначальном пространственном разнесении световых пучков на поляризационном элементе на угол, равный углу между порядками дифракции света различных номеров на ультразвуковой волне, и в последующей интерференции на выходе анизотропного акустооптического преобразователя частоты света;

3. в методе измерения набега разности фаз между измерительным и опорным сигналами на основе формирования временной нониусной шкалы посредством квантующего сигнала, полученного умножением частоты опорного сигнала на дробное число;

4. в установлении зависимости поляризационной составляющей погрешности измерения перемещения от оптической разности хода между интерферирующими пучками для различных расположений акустооптического преобразователя частоты свет в интерференционной схеме.

Практическая значимость работы заключается:

1. в разработке оптической схемы ЛИИС с поляризационным преобразованием излучения и расположением анизотропного акустооптического модулятора на выходе интерферометра;

2. в разработке алгоритмов цифровой обработки измерительной информации, содержащейся в разности фаз между двумя интерферирующими световыми волнами; в разработке накапливающих фазометров на ПЛИС;

3. в разработке электронных схем преобразования измерительных сигналов высокой несущей частоты: генерации, фотоэлектрического детектирования, фильтрации, усиления, аналого-цифрового преобразования;

4. в разработке программного обеспечения для сбора, отображения, обработки измерительной информации о линейном перемещении объекта;

5. в метрологическом исследовании, обеспечивающем оценку потенциальной точности разработанной ЛИИС в зависимости от влияния шумовых факторов на этапах генерации и преобразования сигналов измерительной информации;

6. в создание действующих экспериментальных образцов ЛИИС гетеродинного типа на основе преобразователей «перемещение - фаза» с разрешением 0,6 нм на несущей частоте 40 МГц.

Реализация работы. Материалы исследований и результаты диссертации использовались при выполнении работ, в которых соискатель был ведущим исполнителем:

1. гранта Минобразования А03-3.20-102 «Лазерные акустооптические интерференционные системы для линейно-угловых измерений в прецизионных и нанометрических технологиях», 2003г. - 2004 г.;

2. НИОКР Минобрнауки «Разработка универсальных лазерных интерференционных измерительно-вычислительных систем для повышения точности измерительного и обрабатывающего оборудования в авиационно-космических технологиях», 2004г. - 2005 г.;

3. государственного контракта с Минпромторгом шифр 01Ж-8-005 «Разработка технологий производства импортозамещающих лазерных интерференционных измерительных устройств как базовой системы для контроля точности в составе прецизионных станков, координатно-измерительных машин и измерительных приборов», 2007г. - 2009 г.

Результаты диссертации внедрены в Государственном инжиниринговом центре МГТУ «СТАНКИН» и используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлениям 200100 «Приборостроение», 221700 «Стандартизация и метрология».

Апробация работы н публикации. Основные положения работы обсуждались и докладывались:

1. на международной научно-технической интернет-конференции «Нанотехнология - технология XXI века», г. Москва, 2004 г.;

2. на V международном конгрессе «Конструкторско-технологическая информатика-2005», ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», г. Москва, 2005 г.;

3. на конференции «Лазеры, измерения, информация-2007», г. С.Петербург, 2007 г.;

4. на научной сессии отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «Размерная метрология в микроэлектронике и нанотехнологиях», г. Москва, 2010 г. (докладчик - д.т.н., профессор В. И. Телешевский).

Экспериментальный образец разрабатываемой ЛИИС был представлен на Всероссийской специализированной выставке-конкурсе средств измерений, испытательного и лабораторного оборудования «МЕТРОЛОГИЯ-2008», на которой ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» был награжден золотой медалью «За единство измерений» за создание гаммы интерференционных средств измерений длин с субмикронной и нанометрической точностью.

По теме исследования опубликовано 12 научных работ, в том числе 3 из них в журналах, рекомендованных ВАК.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. принципы построения, структура и архитектура гетеродинной лазерной интерференционной системы для измерения линейных перемещений с анизотропным акустооптическим преобразованием частоты света;

2. математические модели составных частей гетеродинной ЛИИС;

3. определение факторов, влияющих на результат измерения, и метрологический анализ гетеродинной ЛИИС;

4. метод определения и накопления фазового сдвига для реализации накапливающего фазометра в цифровом узле обработки измерительной информации гетеродинной ЛИИС;

5. гетеродинная ЛИИС перемещений на основе анизотропного акустооптического преобразования частоты света.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 114 наименований и трех приложений. Общий объем работы 200 страниц.

Основные результаты работы:

1. Разработана архитектура построения ЛИИС с анизотропным акустооптическим преобразованием частоты света на выходе узла интерферометра, что позволяет превратить любую двухлучевую гомодинную систему в гетеродинную, и, тем самым, заменить амплитудное преобразование преобразованием «перемещение - фаза» сигнала измерительной информации на высокой несущей частоте (до 40 МГц и более).

2. Разработана оптическая схема преобразования частоты света на основе поляризационного анизотропного акустооптического преобразования и методика ее юстировки.

3. Проведен анализ факторов, влияющих на фазовые отношения опорного и измерительного оптических пучков и, в конечном итоге, на погрешность измерения перемещений: геометрических, обусловленных неточной юстировкой; инструментальных, обусловленных параметрами элементов ЛИИС; влиянием параметров окружающей среды.

4. Установлены зависимости поляризационной составляющей погрешности измерения для различных схем размещения преобразования частоты света и различных влияющих факторов.

5. На основе анализа методов цифровой фазометрии предложена новая схема фазовой цифровой обработки измерительной информации на программируемых логических интегральных схемах и определены параметры метода дискретного счета с дробным отношением частот квантования и опорного сигнала для реализации накапливающих фазометров на ПЛИС компании ХШпх.

6. Построена математическая модель воздействия собственных шумов на погрешность измерения фазового сдвига.

7. Разработан накапливающий фазометр на ПЛИС семейств Брайап-З, Зрайап-ЗАИ (ХШпх), осуществляющий фазовое преобразование на частоте 40

МГц без понижения несущей, и исследованы его метрологические характеристики, позволяющие получать разрешение при линейных измерениях менее 1 нм.

8. Разработана и реализована гетеродинная ЛИИС с анизотропным акустооптическим преобразованием частоты света, включающая лазер, выносной узел интерферометра, узел детектирования с анизотропным акустооптическим модулятором, узел обработки на основе накапливающего фазометра на ПЛИС, программное обеспечение для оценки метрологических характеристик и проверки точности позиционирования станочного оборудования.

9. Проведен метрологический анализ ЛИИС, результаты которого позволяют сделать вывод о перспективности используемой оптической схемы и алгоритмов цифровой обработки измерительной информации на основе накапливающего фазометра, обеспечивающих нанометрическое разрешение, расширенную неопределенность и = 0,5 мкм/м (при использовании подсистемы компенсации влияния параметров окружающей среды), скорость перемещения подвижного отражателя 1,5 м/с и более (до 5,3 м/с), диапазон линейных измерений до 40 м.

10. Рассмотрены способы расширения функциональных возможностей разработанной ЛИИС, основанные на едином подходе применения оптического гетеродинирования и фазовой цифровой обработки измерительной информации: использование ЛИИС для проведения угловых измерений, измерений отклонений от плоскостности, параллельности, перпендикулярности; использование ЛИИС в многоканальном варианте.

На основе анализа полученных результатов можно сделать следующие выводы, подтверждающие достижение целей исследования:

1. Повышение точности измерительной системы обеспечивается и подтверждается следующими положениями: а) теоретически показано, что при расположении схемы акустооптического преобразования частоты на выходе интерференционной схемы исключается составляющая поляризационной погрешности, обусловленная эллиптичностью излучения лазера; б) экспериментально показано, что предложенный в работе способ совмещения опорного и измерительного разночастотных пучков непосредственно в анизотропном акустооптическом модуляторе обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум на выходе аналогового фильтра узла обработки 42 дБ, обеспечивая потенциальную чувствительность определения перемещения на уровне 0,3 нм; в) полученные экспериментально параметры фазоизмерительного канала ЛИИС (в единицах длины): номинальная ступень квантования хр = 0,6 нм; предел допускаемого значения СКО случайной составляющей основной погрешности х„(СК) = 0,9 нм при частоте несущей= 40 МГц, свидетельствуют о пригодности использования фазоизмерительного канала в ЛИИС гетеродинного типа с нанометрическим разрешением; г) экспериментальные результаты сличения разработанной системы с гомодинной ЛИИС показывают сравнимый уровень точности (значение расширенной неопределенности измерений и = 0,5 мкм/м (к = 2), что свидетельствует о высоких метрологических характеристиках системы.

2. Повышение быстродействия ЛИИС подтверждается экспериментально: а) работой накапливающего фазометра на несущей частоте = 40 МГц в диапазоне частот измерительного сигнала/13м = (40±17) МГц без понижения частоты несущей, что обеспечивает превосходство в максимальной скорости контролируемых перемещений на 20% по сравнению с известными серийными гетеродинными акустооптическими системами (утах = 5,3 м/с вместо утах = 4,4 м/с). б) работоспособностью ЛИИС с максимальной скоростью контролируемых перемещений утах =1,5 м/с, что обеспечивает превосходство в скорости на 50% по сравнению с известными гетеродинными ЛИИС зеемановского типа (утах = 1 м/с).

3. Расширение функциональных возможностей обеспечивается: а) применением разработанной ЛИИС в качестве измерительных преобразователей перемещений из-за простоты доставки лазерного излучения к интерферометру посредством элементов волоконной оптики; б) возможностью замены интерференционного узла для проведения других видов измерений: угловых, отклонений от прямолинейности, параллельности, перпендикулярности и др.

4. С помощью построенной математической модели влияния собственных шумов ЛИИС на погрешность измерения перемещения теоретически показано, что: а) среднеквадратическое значение фазового шума на выходе фазометра не превосходит двух номинальных ступеней квантования, величина которой составляет хр = 0,6 нм; б) наибольший вклад в фазовый шум на выходе фазометра вносит фазовый шум подсистемы ФАПЧ и амплитудный шум усилителя фототока (среднеквадратическое значение шума на уровне хр = 0,6 нм). Наименее значимым является фазовый шум, обусловленный шириной спектральной линии лазера и драйвера АОМ (менее 0,02-хр). Дробовый шум от сигнальной засветки фотоприемника находится на промежуточном уровне (на уровне 0,2-Хр); в) фазометр обеспечивает подавление уровня фазовых шумов ЛИИС от 20% до 40% (отношение среднеквадратических значений на выходе и входе фазометра) в зависимости от уровня фазового шума на его входе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и гауссовы пучки. - М. : Наука, 1990.-264 с.

2. Аракелян С. М. Естественная пространственная когерентность лазерных пучков, определяемая спонтанным излучением / С. М. Аракелян, С. А. Ахманов, В. Г. Тункин, А. С. Чиркин // Письма в ЖЭТФ. 1974. - том 19. - вып. 9. -С. 571-575.

3. Ахманов С. А., Дьяков Ю. Е., Чиркин А. С. Введение в статистическую радиофизику и оптику. М. : Наука, 1981. - 640 с.

4. Багаев С. Н., Коломников Ю. Д., Чеботаев В. П. Стабилизация и воспроизводимость частоты гелий-неонового лазера на X = 0,63 мкм // Измерительная техника. 1968. - №8. - С. 27-29.

5. Бакалов В. П. Цифровое моделирование случайных процессов. — М. : САЙНС-ПРЕСС, 2002. 88 с.

6. Балакший В. И., Парыгин В. Н., Чирков JI. Е. Физические основы акустооптики. М.: Радио и связь, 1985. - 280 с.

7. Белов JI. А. Синтезаторы частот и сигналов. М. : САЙНС-ПРЕСС, 2002. - 80 с.

8. Борн М., Вольф Э. Основы оптики / Пер. с англ. М. : Наука, 1973.720 с.

9. Васильев В. Н., Гуров И. П. Компьютерная обработка сигналов в приложении к интерферометрическим системам. СПб. : БХВ, 1998. - 240 с.

10. Власов А. Н., Хилов С. И. Частотно-стабилизированные гелий-неоновые лазеры для интерферометрии // Фотоника. 2007. - №5. - С. 7-9.

11. Вовченко Е. Д., Кузнецов А. П., Савелов А. С. Лазерные методы диагностики плазмы. Учебное пособие. М. : МИФИ, 2008. - 204 с.

12. Головкина Т. Н., Родионов Н. Е. Фазовая погрешность двухлучевого интерферометра // Автометрия. 1978. - №2. - С. 142-145.

13. ГОСТ 22267-76. Станки металлорежущие. Схемы и способы измерения геометрических параметров. Введ. 01.01.1988. - М. : Изд-во стандартов, 1988. -146 с.

14. ГОСТ 27843-2006 (ИСО 230-2:1997). Испытания станков. Определение точности и повторяемости позиционирования осей с числовым программным управлением. Взамен ГОСТ 27843-88 ; введ. 01.01.2008. - М. : СТАНДАРТИНФОРМ, 2007. - 16 с.

15. ГОСТ 8-82. Станки металлорежущие. Общие требования к испытаниям на точность.-Введ. 01.07.1983.-М. : Изд-во стандартов, 1982.-14 с.

16. ГОСТ Р 8.596-2002. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрологическое обеспечение измерительных систем. Основные положения. Взамен МИ 2438-97 ; введ. 01.03.2003. - М. : Изд-во стандартов, 2002.- Юс.

17. Гребенщиков А. В. Лазерный измеритель перемещений со встроенным микропроцессором / А. В. Гребенщиков, А. В. Золотов, Ю. И. Кирюхин, А. К. Мовшев, С. А. Русаков // Оптико-механическая промышленность. 1985. - №1. -С.30-33.

18. Григорьев С. Н., Телешевский В. И. Проблемы измерений в технологических процессах формообразования // Измерительная техника. 2011. - №7. - С. 3-7.

19. Гришин С. Г. Анализ поляризационной составляющей погрешности измерения в гетеродинных лазерных интерференционных измерительных системах // Метрология. 2011. - №12. - С. 19-34.

20. Гришин С. Г. Оценка фазовой погрешности в гетеродинных лазерных интерференционных измерительных системах // Измерительная техника. — 2011.— №8. -С. 11-13.

21. Гудмен Дж. Введение в Фурье-оптику / Пер. с англ. М. : Мир, 1970.364 с.

22. Гудмен Дж. Статистическая оптика. / Пер. с англ. М. : Мир, 1988.528 с.

23. Дарзнек С. А. Лазерный интерферометрический измеритель наноперемещений / С. А. Дарзнек, Ж. Желкобаев, В. В. Календин, Ю. А. Новиков // Труды Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН. 2006. - том 62. - С. 14-37.

24. Джеррард А., Бёрч Дж. Введение в матричную оптику / Пер. с англ. — М. : Мир, 1978.-341 с.

25. Застрогин Ю. Ф. Контроль параметров движения с использованием лазеров. -М. : Машиностроение, 1981. 176 с.

26. Застрогин Ю. Ф. Прецизионные измерения параметров движения с использованием лазера. М.: Машиностроение, 1986. - 272 с.

27. Захаров И. П. Оценивание неопределенности измерений при проведении калибровок // Главный метролог. 2010. - №2. - С. 19-22.

28. Иванов А. Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения. М.: Компания «Сайрус системе», - 1999. - 672 с.

29. Коломийцов Ю. В. Интерферометры. Основы инженерной теории, применение. Л.: Машиностроение, 1976. - 299 с.

30. Косинский Д. В., Телешевский В. И. Поляризационный гетеродинный интерферометр на дифракционной решетке для измерения отклонений от прямолинейности // Приборы. СОО «Международное НТО приборостроителей и метрологов». 2011. - №6. - С. 22-26.

31. Коронкевич В. П., Ханов В. А. Лазерные интерферометры и их применение. Новосибирск : Институт автоматики и электрометрии СО АН РАН, 1984.- 104 с.

32. Къртунов С. К., Диордица И. М. Исследования в области обработки микрокомпонентов и микродеталей на обрабатывающих центрах // Материалы 8 Международной конференции «Прогрессивные машиностроительныетехнологии». Кранево, Болгария. 2008. - С. 127-134.

33. Лаптев Г. Д., Чиркин А. С. Об измерении ширины узкополосного лазерного спектра // Квантовая электроника. 1996. - №3. - С. 247-248.

34. Ларкин А. И., Юу Ф. Т. С. Когерентная фотоника. М. : БИНОМ, 2009. -319с.

35. Леонов В. В. Анализ методов измерений отклонений от прямолинейности и плоскостности поверхностей. -М. : Изд-во стандартов, 1982. 248 с.

36. Магдич Л. Н., Молчанов В. Я. Акустооптические устройства и их применение. М.: Советское радио, 1978. - 112 с.

37. Магурин В. Г., Тарлыков В. А. Когерентная оптика. Учебное пособие по курсу «Когерентная и нелинейная оптика». СПб. : СПбГУ ИТМО, 2006. - 122 с.

38. МИ 1317-2004. Рекомендация. ГСИ. Результаты и характеристики погрешности измерений. Формы представления. Способы использования при испытаниях образцов продукции и контроле их параметров. Взамен МИ 131786 ; зарег. ВНИИМС 28.12.2004.-22 с.

39. МИ 2007-89. Рекомендация. ГСИ. Плиты поверочные и разметочные. Методика поверки. Взамен ГОСТ 8.210-76 ; введ. 01.07.1990. - 69 с.

40. МИ 2439-97. Рекомендация. ГСИ. Метрологические характеристики измерительных систем. Номенклатура. Принципы регламентации, определения и контроля. Зарег. ВНИИМС 29.12.1997. - 10 с.

41. МИ 2440-97. Рекомендация. ГСИ. Методы экспериментального определения и контроля характеристик погрешности измерительных каналов измерительных систем и измерительных комплексов. Зарег. ВНИИМС 29.12.1997.- 13 с.

42. МИ 2441-97. Рекомендация. ГСИ. Испытания для целей утверждения типа измерительных систем. Общие требования. Зарег. ВНИИМС 09.12.1997. -9 с.

43. Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Нижний Новгород : Институт физики микроструктур РАН, 2004. - 114 с.

44. Мустель Е. Р., Парыгин В. Н. Методы модуляции и сканирования света. -М. : Наука, 1970.-296 с.

45. Отчет «Об итогах деятельности ВНИИМС в 2011 году и задачах на 2012 год» / Всерос. науч.-исслед. ин-т метрол. службы. М., 2012. - 69 с.

46. Ораевский А. Н., Яровицкий А. В., Величанский В. J1. Стабилизация частоты излучения полупроводникового лазера модой шепчущей галереи // Квантовая электроника. -2001. -№ 10. С. 897-903.

47. Перов А. И. Статистическая теория радиотехнических систем. М. : Радиотехника, 2003. - 400 с.

48. Пихтин А. Н. Оптическая и квантовая электроника. М. : Высшая школа, 2001.-573 с.

49. Привалов В. Е. Газоразрядные лазеры в измерительных комплексах. -JI. : Судостроение, 1989.-264 с.

50. Поляков А. Е., Стрыгин JT. В., Бобкович П. И. Влияние аддитивных составляющих на фазовые шумы делителя частоты в составе цифрового синтезатора частот // Труды МФТИ. 2009. - Том 1, №2. - С. 107-120.

51. Протопопов В. В., Устинов Н. Д. Оптическое гетеродинирование / Под ред. Н. Д. Устинова. М. : Наука, 1985. - 288 с.

52. Риле Ф. Стандарты частоты. Принципы и приложения / Пер. с англ. -М. : ФИЗМАТЛИТ, 2009. 512 с.

53. Росс М. Лазерные приемники / Пер. с англ. М. : Мир, 1969. - 520 с.

54. Системы для проверки точности и калибровки станков и координатно-измерительных машин. Renishaw, 2007. - 32 с.

55. Степанов Д. П. Стабилизация частоты и частотные флуктуации He-Ne лазера // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 1968. — №4. - С. 514-518.

56. Телешевский В. И. Основы теории и принципы построения акустооптических измерительных систем высокоточных станков : Дис. . докт. техн. наук / Московский станкоинструментальный институт. М., 1980. - 461 с.

57. Телешевский В. И. Гетеродинные методы лазерной интерферометрии наоснове акустической модуляции света // Измерительная техника. 1975. - №1. -С.42-45.

58. Телешевский В. И. Лазерный гетеродинный метод измерения перемещений на основе акустооптического взаимодействия // Измерительная техника. 1984. - № 11. - С. 20-21.

59. Телешевский В. И., Гришин С. Г. Цифровая обработка измерительных сигналов гетеродинных лазерных интерферометров с использованием программируемой логики // Материалы Международной научно-технической интернет-конференции. Москва. 2004. - С. 17-28.

60. Телешевский В. И., Соколов В. А. Лазерная измерительная информационная система для повышения точности многокоординатных станков с ЧПУ // Вестник МГТУ «СТАНКИН». 2011. - №4. - С. 8-10.

61. Тихонов В. И. Статистическая радиотехника. М. : Советское радио, 1966.-680 с.

62. Федорин В. Л. Государственный первичный эталон единицы длины // Российская метрологическая энциклопедия / Под ред. Ю. В. Тарбеева. СПб. : Изд-во «Лики России», 2001. - С. 228- 231.

63. Чмых М. К. Цифровая фазометрия. М.: Радио и связь, 1993. - 184 с.

64. Abas А. М. Time Difference Amplifier / А. М. Abas, A. Bystrov, D. J. Kinniment, О. V. Maevsky, G. Russell, A. V. Yakovlev // Electronics Letters. 2002. -V. 38. -N. 23.-P. 1437-1438.

65. A primer on Displacement Measuring Interferometers. Zygo Corporation, 1999.-91 p.

66. Birch K. P., Downs M. J. An Updated Edlén Equation for the Refractive Index of Air // Metrologia. 1993. - V. 30. - N. 3. - P. 155-162.

67. Bónsch G., Potulski E. Measurement of the Refractive Index of Air and Comparison with Modified Edlén's Formulae // Metrologia. 1998. - V. 35. - N. 2. - P. 133-139.

68. Borisov P. A. Simple System for Active Frequency Stabilization of a Diode Laser in an External Cavity / P. A. Borisov, P. N. Melentiev, S. N. Rudnev, V. I. Balykin

69. Laser Physics. 2005. - V. 15. - N. 11. - P. 1523-1527.

70. Bos E. J. C., Delbressine F. L. M., Haitjema H. High-Accuracy CMM Metrology for Micro Systems // International conference on dimensional metrology IMEKO. Erlangen, Germany. 2004. - P. 1-8.

71. Bosse H., Wilkening G. Development at PTB in nanometrology for support of the semiconductor industry // Meas. Sci. Technol. 2005. -V. 16. - P. 2155-2166.

72. Chang I. C. Noncollinear Acousto-Optic Filter with Large Angular Aperture //Appl. Phys. Lett. 1974. - V. 25. - P. 370-372.

73. Chapman M. Heterodyne and homodyne interferometry. Renishaw, 2002.8 p.

74. Chu D. C., Allen M. S., Foster A. S. Universal Counter Resolves Picoseconds in Time Interval Measurements // Hewlett-Packard Journal. 1978. - V. 29. -N. 12.-P.2-11.

75. Ciddor P. E. Refractive index of air: new equations for the visible and near infrared //Applied Optics. 1996. -V. 35. - N. 9. - P. 1566-1573.

76. Cosijns S. J. A. G. Displacement laser interferometry with sub-nanometer uncertainty. Eindhoven : Technische Universiteit Eindhoven, 2004. - 189 p.

77. Demarest F. High-resolution, high-speed, low data age uncertainty, heterodyne displacement measuring interferometer electronics // Meas. Sci. Technol. -1998.-V. 9.-P. 1024-1030.

78. Drakhlis B. Calculate Oscillator Jitter by Using Phase-Noise Analysis // Microwaves & RF. 2001. - V. 157. - P. 82-90.

79. EA-4/02. Expression of the Uncertainty of Measurement in Calibration. -EA, 1999.-79 p.

80. Edlen B. The refractive index of air // Metrologia. 1966. - V. 2. - N. 2. - P. 71-80.

81. Fedcenko I. Dual-mode temperature compensation technique for laser stabilization to a crystalline whispering gallery mode resonator // OPTICS EXPRESS. -2012. -V. 20. -N. 17.-P. 19185-19193.

82. Giacomo P. Equation for the determination of the density of moist air (1981) //Metrología. 1982.- V. 18.-N. 1.-P. 33-40.

83. Groot P. Jones matrix analysis of high-precision displacement measuring interferometers // Proc. 2nd Topical Meeting on ODIMAP II. Pavia, Italy. 1999. - P. 9-14.

84. High-precision laser interferometer feedback systems. Renishaw, 2009.24 p.

85. HP 5528A Laser Measurement System. User's Guide. Hewlett-Packard, 1992.-415 p.

86. Introduction to Displacement Measuring Interferometry. Zygo, 2008.195 p.

87. Jáger G. Limits of precision measurements based on interferometers // Proc. of SPIE. -2008. -V. 7130. P. 713002-1-713002-6.

88. JCGM 100:2008. Evaluation of measurement data Guide to the expression of uncertainty in measurement. - JCGM, 2008. - 122 p.

89. Johansson S. New frequency counting principle improves resolution. -Pendulum Instruments AB. 2006. - 8 p.

90. Kalitz J. Review of Methods for Time Interval Measurements with Picosecond Resolution // Metrología. 2004. - V. 41. - P. 17-32.

91. Keem T., Simple, real-time method for removing the cyclic error in a homodyne interferometer with a quadrature detector system / T. Keem, S. Gonda, I. Misumi, Q. Huang, T. Kurosawa //Applied Optics. 2005. - V. 44. - N. 17. - P. 34923498.

92. Kinniment D. J. On-Chip Structures for Timing Measurement and Test / D. J. Kinniment, О. V. Maevsky, A. Bystrov, G. Russell, A. V. Yakovlev // Microprocessors and Microsystems. 2003. - V. 27. - N. 9. - P. 473-483.

93. Leach R. Fundamental Principles of Engineering Nanometrology. Elsevier Inc., 2010.-352 p.

94. Liebl J. Dreistrahllaserinterferometrie zur Topografievermessung ebener Flächen // Photonik. 2012. - N. 4. - P. 38^10.

95. Mantyniemi A. An Integrated CMOS High Precision Time-to-Digital Converter based on Stabilized Three-Stage Delay Line Interpolation. Oulu : University of Oulu, 2004. - 88 p.

96. Patent USA № 4684828. Apparatus to transform a single frequency, linearly polarized laser beam into a beam with two, orthogonally polarized frequencies / G. E. Sommargren ; Assignee: Zygo Corporation. Опубл. 04.08.1987; приоритет 12.03.1985.-7 p.

97. Pienkowski J. Diode laser frequency standard for laser interferometry // XVIIIIMEKO WORLD CONGRESS. Rio de Janeiro, Brasil. 2006. - P. 1-4.

98. Schmitz Т. e. a. Real-time periodic error correction: experiment and data analysis // Proc. Precision Interferometric Metrology, American Society for Precision Engineering Summer Topical Meeting. Middletown, USA. 2005. - P. 1-6.

99. Stone J., Phillips S. D., Mandoto G. A. Corrections for wavelength variations in precision interferometric displacement measurements // Journal of Research of the NIST. 1996. -V. 101. -N. 5. - P. 671-674.

100. Szymanovski R., Kalitz J. Integrated Time Counter with 200 ps Resolution, 22nd NORCHIP Conference. Oslo, Norway. 2004. - P. 207-209.

101. Teleshevsky V. I. Heterodyne laser interferometry for measuring of form and position deviations in nanotechnology // Proc. 4th Conference on Ultraprecision in

102. Manufacturing Engineering. Braunschweig, Germany. 1997. -V. 1. - P.35-40.

103. Teleshevsky V. I., Grishin S. G. A heterodyne laser interferometer with digital phase conversion // Measurement Techniques. 2006. - V. 49. - N. 6. - P. 545551.

104. Teleshevsky V. I., Grishin S. G. Digital transformations of the phase measurement information in the high resolution heterodyne laser interferometry // Proc. of SPIE. -2008. V. 7006. - P. 70060E-1-70060E-7.

105. Terentieff S. A Modern Laser Interferometer: Realisation and Application // Coherent Optical Engineering / Edited by Arecchi F. T. and V. Degiorgio. Amsterdam : North-Holland Publishing Company, 1977.-P. 197-202.

106. Time Interval Averaging. Application Note 162-1. Hewlett-Packard, 1970. -15 p.

107. Universal 2 Channel Time-to-Digital Converter TDC-GP2. Datasheet. -ACAM-Messelectronic GmbH, 2010. 56 p.

108. Zhang C., Wang H., Qiu Y. Analysis of the Spectral Resolution of a Te02 Based Noncollinear Acousto-Optic Tunable Filter // Engineering. 2011. - V. 3. - P. 233-235.

109. ZMI 2000 System. Displacement Measuring Interferometer Systems. Zygo Corporation, 1999. -4 p.

110. ZMI 7714 Laser Head. Data Sheet. Zygo Corporation, 2009. - 1 p.