基于半导体激光干涉仪的纳米定位平台位移测量及定位误差补偿方法

A laser diode interferometer can be integrated into a nano-positioning stage for measuring the displacement and motion error. Combined the laser diode interferometer with the positioning error compensation method, the nano-positioning stage can achieve a nanometer positioning accuracy. However, there is less research on compact and high-precision wavelength correction method for the laser diode. Laser beam has drift and the spot diameter and intensity are changeable. The analysis of motion error mechanism is not sufficient. Those reasons make the laser diode interferometer-based high-precision measurement and the positioning error model establishment have become challenging researches. This project intends to reveal the influence of wavelength accuracy, beam drift and beam quality of the laser diode on the measurement accuracy of displacement and motion error of the laser diode interferometer. The methods to improve the accuracy of the grating diffraction principle-based wavelength correction, automatically control the beam drift and compensate the beam quality are proposed. The motion error mechanism of the nano-positioning stage is analyzed and the positioning error model, which confirms to the Abbe principle and Bryan principle, is established. The coordinate offset compensation method is combined to realize the high-precision displacement measurement and positioning error compensation of the nano-positioning stage. This project is an innovation of the measurement and error compensation of nano-positioning stages, and it has important scientific significant and practical value to promote its application in the field of nanomanufacturing and nanometrology.

半导体激光干涉仪可集成在纳米定位平台上，结合定位误差补偿方法，即可使纳米定位平台实现纳米级定位精度。但是，缺少精度高且结构简单的半导体激光器波长修正方法、激光光束存在漂移且光斑直径和光强大小易变、运动误差传递机理分析不充分，使得基于半导体激光干涉仪的高精度测量和建立符合运动误差传递机理的误差模型成为具有挑战性的研究。本项目拟揭示半导体激光器波长准确性、光束漂移及光束质量对半导体激光干涉仪位移和运动误差测量精度的影响规律，提出提高基于光栅衍射原理的波长修正精度的方法、自动光束漂移抑制方法和光斑质量补偿方法；分析纳米定位平台运动误差传递机理，建立同时符合阿贝原则和布莱恩原则的定位误差模型；结合坐标偏移补偿法，实现纳米定位平台的高精度位移测量和定位误差补偿。本项目是纳米运动平台测量与误差补偿方法的创新，对推动其在纳米加工和纳米测量领域的应用具有重要的科学意义和使用价值。

定位平台为尖端技术提供了前提和保障。以半导体激光器为光源的激光干涉仪可以作为定位平台高精度位移测量和反馈装置，以适应半导体技术、纳米光刻和生物制造等尖端技术对定位平台定位精度的需要。同时，在定位平台使用过程中，不可避免的加工误差和装配误差将引起定位误差，进而影响平台的定位精度。为了提高定位平台定位精度，本项目开展了一下研究：.提出了小型化、高精度的半导体激光干涉仪位移测量方法，可以直接集成在定位平台进行测量，解决了传统干涉仪由外部安装造成的测量误差；提出了基于自动稳恒温度稳定法和波长实时测量方法的激光器波长主动稳定方法，解决了由于半导体激光器波长易受外界环境和驱动电流的影响稳定性较差的瓶颈问题；分析了非线性误差和半导体激光干涉仪反射靶镜运动误差对干涉信号的影响，提出了非线性误差消除方法和运动误差补偿方法；.基于半导体激光干涉仪提出了六自由度几何误差测量方法，用于在线实时测量定位平台几何误差；分析了影响测量系统测量精度的主要因素和规律，提出了基于双反射镜的激光光束漂移主动抑制方法，解决了由驱动电路、机械变形和热变形等引起的半导体激光器光束的平行漂移和角度漂移的重要问题；激光光束漂移主动抑制方法集成了BP神经网络控制器，提高了光束漂移抑制时效性和稳定性；.结合精密测量原理和定位平台拓扑结构，分析了定位平台误差传递规律，探究了基于阿贝原则和布莱恩原则的误差传递机理，揭示了定位平台功能点和测量点将误差传递映射关系，基于阿贝原则和布莱恩原则建立了定位平台定位误差补偿模型，编写了误差补偿程序，实现了定位误差高效、高精度补偿。.本项目是定位平台位移和几何误差测量与定位误差补偿方法的创新。本研究的研究成果和技术为定位平台定位精度提升提供了实验和技术依据，对推动其在尖端技术领域的应用具有重要的科学意义和使用价值。

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