一種四倍程的雙頻外差激光干涉儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種四倍程的雙頻外差激光干涉儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 雙頻激光干涉儀具有響應(yīng)速度快、測(cè)量范圍大、容易實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量的特點(diǎn)，可用 于精密機(jī)床、大規(guī)模集成電路加工設(shè)備等的在線測(cè)量、誤差修正和控制。雙頻激光干涉儀采 用外差干涉測(cè)量原理，克服了普通單頻干涉儀測(cè)量信號(hào)直流漂移的問題，具有信號(hào)噪聲小、 抗環(huán)境干擾、允許光源多通道復(fù)用等諸多優(yōu)點(diǎn)。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)精密 測(cè)量工具提出了更高的要求，但現(xiàn)有的雙頻外差激光干涉儀由于其自身光學(xué)元件性能的不 理想和環(huán)境等因素的影響，在光學(xué)測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)中存在著不可消除的光學(xué)非線性誤差。
[0003] 中國(guó)實(shí)用新型專利公告的公告號(hào)為CN2727698Y的專利公告了一種雙頻激光干涉 儀，根據(jù)倍程法通過在現(xiàn)有雙頻激光干涉儀的基礎(chǔ)上添加反射鏡等元器件，提出了一種雙 倍程激光干涉儀，測(cè)量精度提高了一倍。中國(guó)發(fā)明專利公告的公告號(hào)為CN1587896A的專利 公告了一種光學(xué)八細(xì)分雙頻激光干涉儀，通過添加角錐棱鏡和反射鏡等元器件，提出了一 種四倍程的雙頻激光干涉儀，提高了雙頻激光干涉儀的測(cè)量精度，但同時(shí)也增加了新的光 學(xué)器件，增加了新的光學(xué)非線性誤差。
[0004] 針對(duì)上述雙頻激光干涉儀存在的問題，本實(shí)用新型提出了一種新型結(jié)構(gòu)的四倍程 雙頻外差激光干涉儀。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，可有效提高雙頻外差激光干涉儀的 測(cè)量精度，減小其光學(xué)非線性誤差。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 針對(duì)目前雙頻外差激光干涉儀測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的光學(xué)非線性誤差的問題，本實(shí)用新型 的目的在于提供一種四倍程的雙頻外差激光干涉儀，以提高雙頻外差激光干涉儀的測(cè)量精 度，減小其光學(xué)非線性誤差。
[0006] 本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下：
[0007] 本實(shí)用新型提出了一種四倍程的雙頻外差激光干涉儀，其包括：
[0008] 雙頻激光器，提供兩個(gè)偏振方向互相垂直的線偏振光，分別為s偏振光和p偏振 光，設(shè)其頻率分別為Π 和f2 ;
[0009] 偏振分光鏡，設(shè)置于雙頻激光器的輸出光路上，雙頻激光器發(fā)出的S偏振光經(jīng)過 偏振分光鏡后反射，P偏振光經(jīng)過偏振分光鏡后透射；
[0010] 第一四分之一波片和第二四分之一波片，分別設(shè)置于偏振分光鏡的透射方向和反 射方向上，P偏振光經(jīng)偏振分光鏡透射后經(jīng)第一四分之一波片變?yōu)閳A偏振光，S偏振光經(jīng)偏 振分光鏡反射后經(jīng)第二四分之一波片變?yōu)閳A偏振光；
[0011] 移動(dòng)鏡和固定鏡，分別設(shè)置于偏振分光鏡的透射和反射方向并在偏振分光鏡和四 分之一波片的延長(zhǎng)線上，光束分別經(jīng)第一四分之一波片和第二四分之一后經(jīng)移動(dòng)鏡和固定 鏡反射；
[0012] 第一角錐棱鏡和第二角錐棱鏡，第一角錐棱鏡設(shè)置于關(guān)于偏振分光鏡與固定鏡對(duì) 稱的方向，第二角錐棱鏡設(shè)置于雙頻激光器和偏振分光鏡之間，光束經(jīng)偏振分光鏡反射或 透射后經(jīng)第一角錐棱鏡或第二角錐棱鏡反射；
[0013] 本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了一種四倍程雙頻外差激光干涉儀，使得光路在雙頻外差激光干 涉儀的兩個(gè)干涉臂分別實(shí)現(xiàn)了四倍程走向，提高了雙頻外差激光干涉儀的測(cè)量精度，使得 雙頻外差激光干涉儀的分辨率提高，光學(xué)非線性誤差減小。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本實(shí)用新型的四倍程雙頻外差激光干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 如附圖所示，圖1是本實(shí)用新型的四倍程雙頻外差激光干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖。由圖 可見，本實(shí)用新型四倍程雙頻外差激光干涉儀，包括一個(gè)雙頻激光器1，偏振分光鏡2,二個(gè) 四分之一波片3、5,移動(dòng)鏡4,固定鏡6,二個(gè)角錐棱鏡7、8。
[0016] 在雙頻激光器1的輸出光路上設(shè)置一偏振分光鏡2,在該偏振分光鏡2的透射光方 向設(shè)置有第一四分之一波片3和移動(dòng)鏡4,在該偏振分光鏡的反射光方向設(shè)置有第二四分 之一波片5和固定鏡6,在第二四分之一波片5和固定鏡6相對(duì)于偏振分光鏡2對(duì)稱的方 向設(shè)置第一角錐棱鏡7,在雙頻激光器1和偏振分光鏡2之間設(shè)置第二角錐棱鏡8,其中第 一四分之一波片和第二四分之一波片的快軸方向分別與經(jīng)偏振分光鏡2透射的p偏振光的 偏振方向和經(jīng)偏振分光鏡2反射的s偏振光的振動(dòng)方向成45°夾角。
[0017] 由雙頻激光器1發(fā)出兩束振動(dòng)方向相互垂直的頻差為20MHZ的線偏振光Π 和f2， 頻率為Π 的s偏振光經(jīng)過偏振分光鏡2反射到第二四分之一波片5變?yōu)閳A偏振光，再經(jīng)固 定鏡6反射回第二四分之一波片5變?yōu)閜偏振光，該p偏振光經(jīng)偏振分光鏡2透射至第一 角錐棱鏡7,經(jīng)第一角錐棱鏡7反射至偏振分光鏡2后透射至第二四分之一波片5變?yōu)閳A 偏振光，經(jīng)固定鏡6反射至第二四分之一波片5變?yōu)閟偏振光，該s偏振光經(jīng)偏振分光鏡2 反射至第二角錐棱鏡8,經(jīng)第二角錐棱鏡8反射后的s偏振光經(jīng)偏振分光鏡2反射至第二四 分之一波片5變?yōu)閳A偏振光，該圓偏振光經(jīng)固定鏡6反射至第二四分之一波片變?yōu)閜偏振 光，該P(yáng)偏振光經(jīng)偏振分光鏡2透射至第一角錐棱鏡7,經(jīng)第一角錐棱鏡7透射回偏振分光 鏡2,經(jīng)偏振分光鏡2透射第二四分之一波片5變成圓偏振光，經(jīng)固定鏡6反射至第二四分 之一波片5變?yōu)閟偏振光，該s偏振光經(jīng)偏振分光鏡2反射至光纖接收信號(hào)；頻率為f2的 P偏振光經(jīng)過偏振分光鏡2透射到第一四分之一波片3變成圓偏振光，該圓偏振光經(jīng)固定 鏡4反射后經(jīng)過第一四分之一波片3變?yōu)閟偏振光，該s偏振光經(jīng)偏振分光鏡2反射至第 一角錐棱鏡7,經(jīng)第一角錐棱鏡7反射回偏振分光鏡2再次反射至第一四分之一波片3變成 圓偏振光，經(jīng)移動(dòng)鏡4反射至第一四分之一波片3變?yōu)閜偏振光，經(jīng)偏振分光鏡2透射至第 二角錐棱鏡8,經(jīng)第二角錐棱鏡8反射后經(jīng)偏振分光鏡2透射至第一四分之一波片3變?yōu)閳A 偏振光，該圓偏振光經(jīng)移動(dòng)鏡4反射經(jīng)過第一四分之一波片3變?yōu)閟線偏振光，該s偏振光 經(jīng)偏振分光鏡2反射至第一角錐棱鏡7,經(jīng)第一角錐棱鏡7反射回偏振分光鏡2再次反射至 第一四分之一波片3變成圓偏振光，該圓偏振光經(jīng)移動(dòng)鏡4反射至第一四分之一波片3變 為P偏振光，該P(yáng)偏振光經(jīng)偏振分光鏡2透射至光纖接收信號(hào)。
[0018] 假設(shè)雙頻激光器發(fā)出的入射光分別為
[0020] 其中Φ JP Φ 2分別為入射光s偏振光和P偏振光的初始相位，E。JP E。2分別為s 偏振光和P偏振光的幅值，光束經(jīng)過雙頻外差激光干涉儀后由光纖接收到的信號(hào)為
[0021] Iph~E !E2Cos ( Φ「Φ 2+ Δ φ)
[0022] 其中△ Φ為測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)的相位差。根據(jù)光程差定理，移動(dòng)鏡的位移量L 通過光纖接收信號(hào)的相位差得出
[0024] 其中λ為光波波長(zhǎng)，N為雙頻外差干涉儀的光程倍數(shù)。設(shè)由于雙頻外差激光干涉 儀內(nèi)部的光學(xué)元件不理想引起的相位誤差為Y，則所得移動(dòng)鏡的位移量為
[0026] 系統(tǒng)的光學(xué)非線性誤差為
[0028] 由理論可知，雙頻外差激光干涉儀的光程倍數(shù)N越大，其光學(xué)非線性誤差越小，當(dāng) 雙頻外差激光干涉儀的光程倍數(shù)為四倍時(shí)，雙頻外差激光干涉儀的光路達(dá)到八細(xì)分，系統(tǒng) 光學(xué)非線性誤差減小一倍，從而有效的提高雙頻外差激光干涉儀的測(cè)量精度。
[0029] 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中相位測(cè)量的采樣數(shù)據(jù)位數(shù)為二進(jìn)制的9位，則相位測(cè)量分辨率R為
[0030] 當(dāng)N = 4時(shí)，
則系統(tǒng)位移測(cè)量的分辨率為
[0032] 本實(shí)用新型涉及了一種四倍程的雙頻外差激光干涉儀，使得激光源在雙頻外差激 光干涉儀的干涉臂和測(cè)量臂各走了四個(gè)來回，實(shí)現(xiàn)了光路的八細(xì)分，使得雙頻外差激光干 涉儀的位移測(cè)量分辨率達(dá)到〇. 15nm，可有效減少雙頻外差激光干涉儀的光學(xué)非線性誤差， 提高其測(cè)量精度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種四倍程的雙頻外差激光干涉儀，其特征是包括一個(gè)雙頻激光器（1)，偏振分光 鏡（2)，二個(gè)四分之一波片（3)、（5)，移動(dòng)鏡（4)，固定鏡（6)，二個(gè)角錐棱鏡（7)、（8)，在雙 頻激光器（1)的輸出光路上設(shè)置一偏振分光鏡（2)，在該偏振分光鏡（2)的透射光方向設(shè)置 有第一四分之一波片（3)和移動(dòng)鏡（4)，在該偏振分光鏡（2)的反射光方向設(shè)置有第二四分 之一波片（5)和固定鏡（6)，在第二四分之一波片（5)和固定鏡（6)相對(duì)于偏振分光鏡（2) 對(duì)稱的方向設(shè)置第一角錐棱鏡（7)，在雙頻激光器（1)和偏振分光鏡（2)之間設(shè)置第二角錐 棱鏡（8)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的四倍程的雙頻外差激光干涉儀，其特征是第一四分之一波片 (3)和第二四分之一波片（5)的快軸方向分別與經(jīng)偏振分光鏡（2)透射的p偏振光的偏振 方向和經(jīng)偏振分光鏡（2)反射的s偏振光的振動(dòng)方向分別成45°夾角；在光束輸出的方向 雙頻激光器和偏振分光鏡之間設(shè)置第二角錐棱鏡（8)使得光路在雙頻外差激光干涉儀的 兩個(gè)干涉臂中各走了四個(gè)來回。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種四倍程的雙頻外差激光干涉儀，包括雙頻激光器，偏振分光鏡，二個(gè)四分之一波片，移動(dòng)鏡，固定鏡和二個(gè)角錐棱鏡。其特征是穩(wěn)定性能好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量信號(hào)的四倍程光路可提高雙頻外差激光干涉儀的測(cè)量精度，使得雙頻外差激光干涉儀的分辨率達(dá)到0.15nm，主要適用于納米技術(shù)、超精密機(jī)械加工、微型機(jī)電系統(tǒng)的制造與檢測(cè)等涉及的精密測(cè)量領(lǐng)域。
【IPC分類】G01B11/02, G01B9/02
【公開號(hào)】CN205014944
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520264628
【發(fā)明人】劉亞睿, 許素安, 錢飛, 張鋒
【申請(qǐng)人】中國(guó)計(jì)量學(xué)院
【公開日】2016年2月3日
【申請(qǐng)日】2015年4月27日