19-picometer mechanical step displacement measurement using heterodyne interferometer with phase-locked loop and piezoelectric driving flexure-stage
19-picometer mechanical step displacement measurement using heterodyne interferometer with phase-locked loop and piezoelectric driving flexure-stage
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使用锁相环和压电驱动挠曲台外差干涉仪进行 19 皮米机械步进位移测量
DOI：
10.1016/j.sna.2020.111880
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发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Masato Aketagawa
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Thanh Dong Nguyen;Quang Anh Duong;Masato Higuchi;Thanh Tung Vu;Dong Wei;Masato Aketagawa
在本文中，我们讨论了20皮米级的机械步进位移测量使用外差干涉仪与锁相环（PLL）和两个压电（PZT）驱动的弯曲阶段。首先，利用一个简单的数字锁相环研制了外差干涉相位计。单个PLL的两个输入和一个输出分别是外差干涉仪的参考和测量信号以及由于目标镜的移动而引起的相移。该PLL包括一个有源移相器、一个混频器（乘法器）、一个结合平均操作的低通滤波器和一个积分器。在对锁相环的电子学评估中，锁相环的相位分辨率为174 μrad，噪声标准差为4.2 μrad，在200 Hz的输出采样率下，0.2 Hz以上的相位噪声本底为3 μrad/kHz。利用单锁相环、四通道普通商用外差干涉仪和PZT驱动的高刚度平行弹簧平台，在普通空气中实现了19 pm（1.5 mrad）的机械阶跃位移和1.1 pm/kHz（90 μrad/kHz）的位移本底噪声的驱动和测量。文中讨论了该方法的原理、仪器和实验结果。
In this paper, we discuss 20-picometer-order mechanical step displacement measurements using a heterodyne interferometer with a phase-locked loop (PLL) and two piezoelectric (PZT) driving flexure-stages. First, the phase meter for heterodyne interferometry using one simple digital PLL is developed. Two inputs and one output of the single PLL are the reference and measurement signals of the heterodyne interferometer and the phase shift due to the movement of the target mirror, respectively. The PLL includes an active phase shifter, a mixer (multiplier), a low-pass filter combined with an averaging operation, and an integrator. In electronics evaluation of the PLL, the PLL shows a phase resolution of 174 μrad with 4.2 μrad noise (standard deviation) and a phase noise floor of 3 μrad/√Hz above 0.2 Hz with an output sampling rate of 200 Hz. Using the single PLL, a four-pass normal commercial heterodyne interferometer, and high-stiff-parallel spring stage driven by PZT actuator, we demonstrate the actuations and measurements of mechanical step displacements of 19 pm (1.5 mrad) and a displacement noise floor of 1.1 pm/√Hz (90 μrad/√Hz) above 1 Hz in normal air. In the paper, the principle, instrumentation, and experimental results are discussed.
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