Tổng quan nghiên cứu

Giao thoa kế là thiết bị đo lường dựa trên hiện tượng giao thoa ánh sáng, đã được nghiên cứu và ứng dụng hơn 130 năm, bắt đầu từ thí nghiệm của Michelson năm 1887. Trong bối cảnh công nghiệp và khoa học hiện đại, giao thoa kế đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực đòi hỏi độ chính xác cao như công nghệ bán dẫn, vi cơ điện tử (MEMS), thiên văn học và vật lý hạt. Đặc biệt, việc đo độ dịch chuyển chính xác ở cấp nanomet trở nên thiết yếu trong nhiều ứng dụng kỹ thuật.

Luận văn tập trung xây dựng hệ đo dịch chuyển chính xác bằng giao thoa kế Michelson sử dụng phương pháp điều biến tần số với nguồn laser bán dẫn. Mục tiêu chính là phát triển mô hình toán học và hệ thí nghiệm để đo độ dịch chuyển của gương động với độ chính xác và ổn định cao. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc đo dịch chuyển trên bộ dịch chuyển nhỏ bằng PZT của hãng Thorlabs với phạm vi dịch chuyển lặp lại khoảng 1 μm. Thời gian nghiên cứu thực hiện trong năm 2020 tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao độ chính xác và khả năng xác định chiều dịch chuyển trong các hệ đo quang học, góp phần phát triển các thiết bị đo lường hiện đại phục vụ công nghiệp và nghiên cứu khoa học. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ đo hoạt động ổn định, chính xác, có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật cơ điện tử và quang học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Hiện tượng giao thoa ánh sáng: Hai sóng ánh sáng đơn sắc từ cùng một nguồn phát chồng chất tại một điểm tạo ra tín hiệu giao thoa với cường độ biến đổi theo độ lệch pha. Cường độ tín hiệu giao thoa được mô tả bằng phương trình phụ thuộc vào hiệu quang lộ giữa hai nhánh của giao thoa kế.

  • Giao thoa kế Michelson: Thiết bị chia chùm tia laser thành hai nhánh, một nhánh tham chiếu và một nhánh đo, phản xạ qua gương và kết hợp lại để tạo ra tín hiệu giao thoa. Độ dịch chuyển của gương động làm thay đổi hiệu quang lộ, từ đó thay đổi cường độ tín hiệu giao thoa.

  • Phương pháp điều biến tần số (Frequency Modulation - FM): Tần số của nguồn laser bán dẫn được điều biến trực tiếp qua dòng bơm, tạo ra tín hiệu giao thoa có dạng chuỗi các hàm điều hòa của tần số điều biến, khai triển theo hàm Bessel loại 1. Phương pháp này giúp tăng độ chính xác và khả năng xác định chiều dịch chuyển.

  • Bộ khuếch đại lock-in (Lock-in amplifier): Thiết bị xử lý tín hiệu để trích xuất các thành phần điều hòa có pha vuông góc, giúp loại bỏ nhiễu và tăng độ nhạy trong đo lường tín hiệu AC nhỏ.

  • Biểu đồ Lissajous: Sử dụng cặp tín hiệu điều hòa có pha vuông góc để xây dựng biểu đồ, từ đó xác định độ dịch pha và chiều dịch chuyển của gương động.

Các khái niệm chính bao gồm: hiệu quang lộ, tần số điều biến, hàm Bessel loại 1, bộ khuếch đại lock-in, biểu đồ Lissajous, và độ dịch chuyển quang học.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ hệ thí nghiệm giao thoa kế Michelson sử dụng nguồn laser bán dẫn L635P5 của hãng Thorlabs với bước sóng khoảng 633 nm và độ rộng phổ xấp xỉ 100 MHz. Hệ thí nghiệm được lắp đặt tại Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Cỡ mẫu dữ liệu gồm các tín hiệu giao thoa thu được khi gương động dịch chuyển trên bộ dịch chuyển nhỏ PZT của Thorlabs với phạm vi dịch chuyển lặp lại khoảng 1 μm. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu liên tục tín hiệu điện áp từ cảm biến quang PDA36A-EC, sau đó xử lý bằng bộ khuếch đại lock-in tự chế tạo gồm bộ trộn ZAD-1+ và bộ lọc thông thấp EF110.

Phân tích dữ liệu sử dụng mô hình toán học khai triển tín hiệu giao thoa theo hàm Bessel loại 1, trích xuất cặp tín hiệu điều hòa có pha vuông góc bậc 4 và 5, xây dựng biểu đồ Lissajous để tính toán độ dịch chuyển. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2020, bao gồm giai đoạn thiết kế mô hình, lắp đặt hệ thí nghiệm, thu thập và xử lý dữ liệu, đánh giá sai số và hoàn thiện báo cáo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xây dựng thành công mô hình toán học giao thoa kế điều biến tần số: Mô hình biểu diễn tín hiệu giao thoa dưới dạng chuỗi hàm điều hòa của tần số điều biến, khai triển theo hàm Bessel loại 1, cho phép trích xuất chính xác các thành phần tín hiệu cần thiết. Số liệu thực nghiệm cho thấy tín hiệu thu được có cường độ ổn định với biên độ điều biến m được điều chỉnh phù hợp.

  2. Hệ thí nghiệm hoạt động ổn định và chính xác: Dữ liệu thu thập từ cảm biến quang PDA36A-EC và xử lý qua bộ khuếch đại lock-in cho thấy độ lệch giữa giá trị đo và giá trị tham chiếu của bộ dịch chuyển PZT nằm trong khoảng sai số chấp nhận được, dưới 0.05 μm, tương đương sai số dưới 5% so với phạm vi dịch chuyển 1 μm.

  3. Khả năng xác định chiều dịch chuyển thông qua biểu đồ Lissajous: Việc trích xuất cặp tín hiệu điều hòa có pha vuông góc bậc 4 và 5 cho phép xây dựng biểu đồ Lissajous rõ ràng, từ đó xác định chính xác chiều dịch chuyển của gương động. Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) đạt khoảng 40 dB, đảm bảo độ tin cậy trong phân tích.

  4. Ảnh hưởng của các nguồn sai số được đánh giá và kiểm soát: Các sai số do chiết suất thay đổi, bước sóng biến động, nhiễu cảm biến, hiệu chỉnh hệ quang và rung động môi trường được phân tích chi tiết. Sai số tổng hợp ước tính dưới 0.02 μm, cho thấy hệ đo có độ ổn định cao trong điều kiện thực nghiệm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp hệ đo đạt độ chính xác cao là việc sử dụng nguồn laser bán dẫn có khả năng điều biến tần số trực tiếp qua dòng bơm, kết hợp với bộ khuếch đại lock-in giúp trích xuất tín hiệu có pha vuông góc, giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu và biến động cường độ nguồn. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng giao thoa kế một tần số hoặc hai tần số, phương pháp điều biến tần số cho phép đo với độ phân giải cao hơn và xác định chiều dịch chuyển dễ dàng hơn.

Kết quả cũng phù hợp với các báo cáo ngành về ứng dụng laser bán dẫn trong đo lường quang học, đồng thời mở ra hướng phát triển cho các hệ đo dịch chuyển chính xác trong công nghiệp chế tạo và nghiên cứu khoa học. Việc xây dựng biểu đồ Lissajous từ cặp tín hiệu điều hòa là điểm mới giúp tăng độ tin cậy và khả năng xử lý tín hiệu trong môi trường có nhiễu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ Lissajous minh họa mối quan hệ pha giữa hai tín hiệu điều hòa, cùng với bảng so sánh giá trị đo và giá trị tham chiếu của bộ dịch chuyển PZT, thể hiện sai số và độ ổn định của hệ đo.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường ổn định nhiệt độ nguồn laser: Áp dụng bộ điều khiển nhiệt độ TEC với thiết lập chính xác để duy trì nhiệt độ laser ổn định ở 25⁰C, giảm thiểu sai số do biến đổi bước sóng. Thời gian thực hiện: 1-2 tháng; Chủ thể: nhóm kỹ thuật phòng thí nghiệm.

  2. Nâng cấp bộ khuếch đại lock-in với thiết bị thương mại: Sử dụng bộ khuếch đại lock-in chuyên dụng có độ nhạy cao hơn để cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu, nâng cao độ chính xác đo. Thời gian thực hiện: 3 tháng; Chủ thể: phòng thí nghiệm và ban quản lý dự án.

  3. Tối ưu hóa hệ quang học và lắp đặt chống rung: Cải tiến cấu trúc bệ gá, sử dụng vật liệu giảm rung và cách ly môi trường để giảm ảnh hưởng rung động môi trường. Thời gian thực hiện: 2 tháng; Chủ thể: kỹ thuật viên cơ khí và quang học.

  4. Phát triển phần mềm xử lý tín hiệu tự động: Xây dựng phần mềm thu thập và phân tích dữ liệu tự động, tích hợp thuật toán trích xuất pha và xây dựng biểu đồ Lissajous, giúp tăng tốc độ và độ chính xác xử lý. Thời gian thực hiện: 4 tháng; Chủ thể: nhóm phát triển phần mềm và kỹ thuật viên.

Các giải pháp trên nhằm mục tiêu nâng cao độ chính xác đo xuống dưới 0.01 μm, tăng độ ổn định và khả năng ứng dụng trong môi trường công nghiệp trong vòng 1 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ điện tử, quang học: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về giao thoa kế điều biến tần số, mô hình toán học và phương pháp xử lý tín hiệu, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển thiết bị đo lường chính xác.

  2. Kỹ sư phát triển thiết bị đo lường quang học trong công nghiệp: Tham khảo để áp dụng phương pháp điều biến tần số và bộ khuếch đại lock-in trong thiết kế hệ đo dịch chuyển, nâng cao hiệu suất và độ chính xác sản phẩm.

  3. Các phòng thí nghiệm đo lường và kiểm định chất lượng: Áp dụng hệ đo giao thoa kế để kiểm tra độ dịch chuyển, vị trí trong các quy trình sản xuất đòi hỏi độ chính xác cao như sản xuất linh kiện bán dẫn, MEMS.

  4. Nhà quản lý dự án và chuyên gia công nghệ: Hiểu rõ về tiềm năng và giới hạn của công nghệ giao thoa kế điều biến tần số, từ đó đưa ra quyết định đầu tư và phát triển công nghệ phù hợp với nhu cầu thực tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp điều biến tần số trong giao thoa kế có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống?
    Phương pháp điều biến tần số cho phép tín hiệu giao thoa có dạng chuỗi hàm điều hòa, giúp trích xuất chính xác độ dịch chuyển và xác định chiều dịch chuyển. So với giao thoa kế một tần số, nó giảm thiểu ảnh hưởng của biến động cường độ nguồn và môi trường, nâng cao độ chính xác.

  2. Bộ khuếch đại lock-in hoạt động như thế nào trong xử lý tín hiệu giao thoa?
    Lock-in amplifier nhân tín hiệu đầu vào với tín hiệu tham chiếu cùng tần số, sau đó lọc thông thấp để loại bỏ nhiễu không đồng bộ, giúp thu được tín hiệu AC rất nhỏ với độ nhạy cao, tăng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu.

  3. Sai số chính trong hệ đo giao thoa kế điều biến tần số là gì?
    Các sai số chính gồm sai số do biến đổi chiết suất môi trường, bước sóng laser thay đổi, nhiễu cảm biến, hiệu chỉnh hệ quang không chính xác và rung động môi trường. Tổng sai số được kiểm soát dưới 0.02 μm trong nghiên cứu này.

  4. Làm thế nào để xác định chiều dịch chuyển của gương động?
    Bằng cách trích xuất cặp tín hiệu điều hòa có pha vuông góc bậc 4 và 5 qua bộ khuếch đại lock-in, xây dựng biểu đồ Lissajous, từ đó xác định được độ dịch pha và chiều dịch chuyển chính xác.

  5. Nguồn laser bán dẫn có ưu điểm gì trong giao thoa kế?
    Laser bán dẫn có kích thước nhỏ gọn, hiệu suất cao, giá thành hợp lý và khả năng điều biến tần số trực tiếp qua dòng bơm, phù hợp với điều kiện khí hậu nóng ẩm, giúp hệ đo hoạt động ổn định và chính xác.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công mô hình toán học và hệ thí nghiệm giao thoa kế Michelson sử dụng phương pháp điều biến tần số với nguồn laser bán dẫn.
  • Hệ đo cho kết quả ổn định, chính xác với sai số dưới 0.05 μm trong phạm vi dịch chuyển 1 μm.
  • Phương pháp trích xuất tín hiệu qua bộ khuếch đại lock-in và biểu đồ Lissajous giúp xác định chính xác độ dịch chuyển và chiều dịch chuyển.
  • Các nguồn sai số được đánh giá kỹ lưỡng và kiểm soát hiệu quả, đảm bảo độ tin cậy của hệ đo.
  • Đề xuất các giải pháp nâng cao độ chính xác và ổn định, hướng tới ứng dụng trong công nghiệp và nghiên cứu khoa học trong vòng 1 năm tới.

Để tiếp tục phát triển, cần triển khai các giải pháp kỹ thuật đã đề xuất, đồng thời mở rộng phạm vi đo và ứng dụng trong các lĩnh vực công nghệ cao. Mời các nhà nghiên cứu và kỹ sư quan tâm liên hệ để trao đổi và hợp tác phát triển công nghệ giao thoa kế điều biến tần số.