CN100507440C - 测量硬盘磁头飞行高度的系统及共光路双频激光干涉测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于光学测量技术领域的一种测量硬盘磁头飞行高度的系统及共光路双频激光干涉测量方法。包括横向塞曼双频激光器、依次放置在激光器发射端轴线上的低反射分光分束器、半反射分光分束器和全反射镜构成的分束角可调机构、渥拉斯顿偏振分光棱镜，大口径长焦距透镜，放置在透镜后焦面上的硬盘磁头结构；还包括分别放置在两路干涉测量光和参考光返回合束光方向的全反射镜、检偏器、带检偏器探测器。本发明提高测量精度、分辨率以及采样频率，改进补偿硬盘盘片稳态位置变化引入的阿贝误差，满足硬盘磁头的模拟飞行高度测量研究，并适合在生产线检测硬盘磁头的飞行姿态。具有低成本，广泛应用于硬盘工业检测、微机械器件振动检测等领域。

Description

测量硬盘磁头飞行高度的系统及共光路双频激光干涉测量方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，特别涉及包括采用玻璃盘模拟盘片或真实盘片测试条件下对磁头滑块法向运动的测量的一种测量硬盘磁头飞行高度的系统及共光路双频激光干涉测量方法。

背景技术

磁存储技术以其可擦写、高速度、高稳定性、高性价比等优势，在今后一段时间内，仍然是最常用的数据存储方式。从目前磁存储技术发展趋势来看，提高磁存储产品(如硬盘)的存储密度及读写速度，仍有较大的商业价值和科研潜力。有国外学者认为，磁存储面密度有望达到1Tb/in²，约160Gb/cm²。这就要求进一步减少磁头磁盘间隙从目前的10nm左右到3nm。纳米级间隙的高分辨率、高频率响应测量是实现这一目标的必要技术之一。

硬盘的磁头磁盘间隙测量方法分为采用玻璃盘片透射测量和真实硬盘盘片反射测量两种。透射测量采用透明玻璃盘代替真实硬盘盘片，通过测量玻璃盘与磁头滑块表面的绝对间隙得到模拟条件下的硬盘磁头飞行高度，主要采用光强干涉法，包括多波长干涉法和偏振干涉法。光强干涉法测量绝对间隙小于10nm的飞行高度时测量灵敏度不足，此外由于需要引入机械缩进进行光强标定，仪器安装调试要求较高，系统鲁棒性和准确性不高，不利于生产线检测。反射测量适合于采用真实硬盘盘片的磁头飞行高度测量，原理上更接近硬盘工作条件。该测量方法多采用激光多普勒测速仪和激光外差干涉法，可以达到较高采样频率和纳米级测量分辨率，但目前技术已不能满足磁头小于10nm飞行高度亚纳米测量精度的要求。

由于反射测量方法本身通过测量硬盘启动到稳态过程中磁头磁盘之间的差分距离(differential spacing)变化得到磁头相对于磁盘的飞行高度，原理上需要补偿不同转速下盘片倾斜变化引入的阿贝误差的影响，然而以往研究却未补偿这一影响。传统的反射测量方法原理如图1所示，图1为已有的差分距离测量原理图。图中A为测量光束在磁头滑块内表面的投影点，B为参考光束与盘片的投影点(磁头移开后测量光投射于盘面上B点)，C点为参考光透射在盘片表面上的参考点，S表示盘片倾斜度。A、C点之间的距离(差分距离)包含两部分，其中一部分是B、C两点间硬盘盘片的倾斜度(阿贝误差)，另一部分是A、B间距离，即磁头滑块相对于盘片的飞行高度。为了消除硬盘盘片倾斜影响(阿贝误差)，假定硬盘盘片较低速转动下磁头接触硬盘盘片时飞行高度为零，通过测量硬盘盘片极低速转动条件下的差分距离假定为硬盘盘片固有的倾斜影响(阿贝误差)，然后将正常转速下的测量结果减去低速测量结果从而得到飞行高度。实际上，这种补偿阿贝误差的方法存在原理上的缺陷。由于硬盘盘片轴系存在微米级间隙，轴承在极低速条件下盘片回转平衡位置与稳态高速运转下平衡位置存在几十微弧度量级的差异，由于差动距离测点间距一般在毫米量级，上述平衡位置角度的变化将对测量结果产生几十纳米级的原理误差影响。此外，商品硬盘盘片广泛采用的螺旋槽流体动压轴承主轴系统具有较为复杂的运动，在不同稳定高速旋转下转子所在的平衡位置存在差异。有研究表明这一差异在转速3600-7200rpm范围内时，涡动平衡轨迹平均半径变化0.075微米，由此产生的硬盘盘片倾斜平衡轨迹变化约15μ rad，这一变化也将对测量结果产生十几纳米级的影响。因此，采用传统的反射测量磁头相对硬盘盘片飞行高度时，由于存在硬盘盘片平衡位置变化引入的误差，测量准确度难以提高。

发明内容

本发明的目的是为克服已有各种磁头飞行高度测量技术的不足，融合双频激光干涉法和相位测量技术的特点提供一种测量硬盘磁头飞行高度的系统及共光路激光干涉测量方法。可对真实硬盘磁头飞行高度进行在线光波长溯源测量，具有误差自补偿、高稳定性、高分辨率、高采样频率的特点。此外，该系统还可兼容透射式玻璃盘片模拟场合下的硬盘磁头飞行高度测量。

所述测量硬盘磁头飞行高度系统包括

一个输出一对偏振光正交的双频激光的横向塞曼双频激光器；

一个由相位计和工控计算机组成的信号处理部分，具有对两对测量拍频参考信号进行同步测相采集、分析以及显示的功能，用于对上述相位计输出测量信号进行在线补偿阿贝误差，对磁头飞行高度结果进行分析；其特征在于：该系统还包括一个干涉光路部分；

所述干涉光路部分为

一个分束器，用于对横向塞曼双频激光器输出的一对偏振光正交双频激光进行分光探测，形成拍频参考信号；

一个分束角可调机构，由上述分束器和全反射镜构成，用于将入射光L分为强度相同的两束光L1和L2，调节其汇聚夹角等于渥拉斯顿棱镜分束角；

一个渥拉斯顿棱镜，用于将入射光分为参考光和测量光；

一个大口径长焦距透镜，用于将参考光和测量光分别聚焦在硬盘盘片和硬盘磁头滑块上；

两个全反射镜，用于调整光束进入探测器；

三个带有检偏器探测器，用于检偏探测拍频信号；

所述测量硬盘磁头滑块飞行高度系统具体结构是，依次放置在横向塞曼双频激光器1发射端轴线上的低反射分光分束器2、半反射分光分束器3和第一全反射镜12构成的分束角可调机构、渥拉斯顿棱镜5、大口径长焦距透镜6、放置在透镜6后焦面上的硬盘盘片7和硬盘磁头滑块8组成硬盘磁头结构；第二全反射镜4、第三全反射镜9，第一带检偏器探测器10、第二带检偏器探测器11分别放置在两路干涉测量光和参考光返回合束光方向上，及第三带检偏器探测器13放置在低反射分光分束器2反射光方向上。

所述测量硬盘磁头滑块飞行高度系统的硬盘磁头飞行高度的测量方法包括以下步骤：

1)横向塞曼双频激光器1输出正交线偏振的双频入射光L(包括频率不同的p偏振光和s偏振光)，由低反射分光分束器2分成两束光L1、L2，反射光经与p偏振光方向成45度检偏后进入第三带检偏器探测器13，形成拍频参考信号；

2)透射光经半反射分光分束器3与第二全反射镜4构成的分束角可调机构，调节出射两束光夹角等于渥拉斯顿棱镜分束角；

3)调节渥拉斯顿角度以及前后距离，使两束光角平分线与渥拉斯顿棱镜表面法线重合，并转动渥拉斯顿棱镜，使棱镜两双折射晶体楔块快轴方向正交，分别与入射光的偏振方向重合，以确保双频激光两偏振光经过渥拉斯顿棱镜后偏振混叠最小，最终使两束光相交进入渥拉斯顿棱镜后，L1光路的p偏振光与L2光路的s偏振光重合出射，L1光路的s偏振光与L2光路的p偏振光对称于渥拉斯顿棱镜法线方向出射；

4)调节透镜6与渥拉斯顿棱镜之间距离以及角度，确保渥拉斯顿棱镜偏振分束面在透镜6前焦平面上，使重合后的L1的p偏振光和L2的s偏振光平行于大口径凸透镜6光轴入射，聚焦在硬盘磁头滑块上，为两干涉光路公共测量点，L1的s偏振光和L2的p偏振光对称倾斜于透镜6光轴入射，分别聚焦在硬盘盘片上作为参考点。两路干涉光路形成的两个参考点关于公共测量点成线性对称布置，因而测量光路、参考光以相同角度入射在硬盘磁头滑块和硬盘盘片上。

5)调节硬盘盘片盘面，使位于透镜6后焦平面上，参考光和测量光反射后返回，经透镜6、渥拉斯顿棱镜5后自然合束，以45度入射到第三全反射镜9，进入贴有检偏方向45度偏振片的第一带检偏器探测器10，输出拍频信号。

6)测量信号与前述拍频参考信号输入高速相位计中，得到反映测量点与参考点之间光程差量的信号相位差值；

7)启动硬盘盘片，从静止加速到稳态旋转过程，相位计输出两路干涉同步测量结果，然后计算的硬盘磁头与硬盘盘片差分距离随时间变化；

8)对L1、L2两路干涉测量结果进行补偿处理，得到硬盘磁头相对飞行高度，即硬盘盘片从静态到稳态转动状态下，硬盘磁头飞行高度变化量。

上述进行补偿的信号处理即为阿贝误差补偿方法，可补偿硬盘盘片转动平衡位置变化对硬盘磁头滑块飞行高度测量结果的影响，也可对两路干涉测量结果系统误差进行补偿。

本发明具有以下特点及良好效果：

本发明通过共光路差动双频激光外差干涉系统，可实时进行硬盘磁头飞行高度的高精度动态测量，并可在线补偿由于硬盘盘片稳态位置变化改变引入的测量误差。此外，双频激光分光后使用同一差动干涉仪产生两组干涉测量臂重合、参考臂对称的干涉光路，符合共光路原则，且对激光光束平漂、角漂具有自适应，因而系统具有很高的稳定性。这是该测量系统光路区别于现有技术的创新点之一。

本发明共光路双频激光外差干涉测量硬盘磁头飞行性能系统适合反射式测量硬盘磁头滑块相对真实硬盘盘片飞行高度，又可用于透射式测量硬盘磁头滑块相对玻璃模拟盘片飞行高度。这是该方法区别于现有技术的创新点之二。

本发明共光路双频激光外差干涉测量硬盘磁头飞行性能系统采用计量型横向塞曼双频激光作为光源(稳频精度10^-9量级)，并使用高速相位测量技术，实现对硬盘磁头飞行高度0.1nm分辨率、100kHz采样频率的测量，避免了传统光强干涉法测量的光强标定误差，是对硬盘磁头飞行高度进行光波长直接溯源测量。由于无需机械缩进光强标定，仪器调试简便，使该系统具有较高的鲁棒性和准确性，适合生产线检测要求。这是该测量原理区别于现有技术的创新点之三。

附图说明

图1为已有的差分距离测量原理图。图中A为测量光束在硬盘磁头滑块内表面的投影点；B为参考光束与硬盘盘片的投影点(硬盘磁头移开后测量光投射于硬盘盘片的盘面上B点)，C点为参考光透射在硬盘盘片表面上的参考点，S表示硬盘盘片倾斜度。

图2为本发明透射式测量原理图。图中(a)为主视图，(b)为俯视图；1：横向塞曼双频激光器；2，3：分束器；4，9，12：全反射镜；5：渥拉斯顿棱镜；6：大口径凸透镜；7：硬盘盘片(模拟的玻璃盘片)；8：磁头滑块；10，11，13：带检偏器探测器。光路L1：细线光路；光路L2：粗线光路。

图3为本发明反射式测量原理图，图中(a)为主视图，(b)为俯视图；1：横向塞曼双频激光器；2，3：分束器；4，9，12：全反射镜；5：渥拉斯顿棱镜；6：大口径凸透镜；7：硬盘盘片(真实)；8：磁头滑块；10，11，13：带检偏器探测器。光路L1：细线光路；光路L2：粗线光路。

图4为本发明在线误差补偿原理图，图中L1光路：细线光路；L2光路：粗线光路；M：L1和L2公共测量点；R1：L1光路参考点；R2：L2光路参考点，h：硬盘磁头滑块相对盘片飞行高度；hm1：L1光路差动距离；hm2：L2路差动距离。

具体实施方式

本发明提供一种测量硬盘磁头飞行高度的系统及共光路激光干涉测量方法。所述共光路双频激光外差干涉测量硬盘磁头飞行性能系统的结构及工作原理结合实施例及附图详细说明如下：

本实施例的结构如图2所示的透射式测量原理图和图3所示的反射式测量原理图。包括：计量型横向塞曼He-Ne双频激光器1)，用于分光探测拍频参考信号；低反射分光分束器2，半反射分光分束器3和第一全反射镜12构成的分束角可调机构、小分束角渥拉斯顿棱镜5，大口径长焦距透镜6，硬盘盘片7和磁头滑块8组成硬盘磁头结构，用于调整光束进入探测器的第二全反射镜4、第三全反射镜9，用于探测拍频信号的第一带检偏器探测器10、第二带检偏器探测器11、第三带检偏器探测器13。

本实施例的共光路双频激光外差干涉测量硬盘磁头飞行性能系统具体原理如下：

以L1光路为例，倾斜入射的正交线偏振双频激光可以表示为：

$E_0=\stackrel{\→}{i}{E}_{01}\sin (2\mathrm{\π}{f}_{1}t+{\mathrm{\φ}}_{01})+\stackrel{\→}{j}{E}_{02}\sin (2\mathrm{\π}{f}_{2}t+{\mathrm{\φ}}_{02})---\left(1\right)$

——分别为出射激光平行分量p、垂直分量s的偏振方向矢量；

E₀₁、E₀₂——分别为p、s分量的振幅；

f₁、f₂——分别为p、s分量的频率，频差Δf＝f₁—f₂；

φ₀₁、φ₀₂——分别为p、s分量的初始相位。

E₀经渥拉斯顿棱镜5偏振分束后，p偏振光出射平行于仪器轴线，为测量光，经大口径正透镜6聚焦在硬盘磁头滑块的内表面(气体承压面)上为测量点M，s偏振光倾斜于仪器轴线出射为参考光，经透镜6聚焦在玻璃盘片或硬盘盘片上为参考点R1。参考光和测量光反射后分别经透镜6、渥拉斯顿棱镜5后合束，经第三全反射镜9到45度检偏的第一带检偏器探测器10输出测量拍频信号S_m1。同理，L2光路经过同一干涉仪，其测量臂与L1光路重合，最终检偏的第二带检偏器探测器11输出测量拍频信号S_m2。两路测量信号分别与拍频参考信号输入相位卡进行比相，得到两路相位值。

以其中L1干涉光路为例，可将最终进入探测器中的参考光和测量光的偏振矢量E₁和E₂写作：

$E_1=\stackrel{\→}{j}{K}_1{E}_{01}\sin (2\mathrm{\π}{f}_{2}t+{\mathrm{\φ}}_{01}+{\mathrm{\φ}}_{11})---\left(2\right)$

$E_2=\stackrel{\→}{i}{K}_2{E}_{02}\sin (2\mathrm{\π}(f_1+2f_D)t+{\mathrm{\φ}}_{02}+{\mathrm{\φ}}_{22})---\left(3\right)$

其中，K₁＝1-α₁、K₂＝1-α₂，

α₁、α₂——分别为p、s分量在干涉仪中的光强损耗因子；

φ₁₁、φ₂₂——分别为参考光路和测量光路位相增量；

f_D为两测点相对运动过程中引起的多普勒频移。

E₁、E₂检偏后由探测器接收形成测量信号I_m，可描述为：

I_m＝I₀K₁K₂sin(2π(f₁-f₂+2f_D)t+φ₀₂+φ₂₂-(φ₀₂+φ₁₂))   (4)

式中：I₀∝E₀₁E₀₂。

从横向塞曼双频激光器的输出直接取得的拍频参考信号I_r为：

I_r＝I₀K₀sin(2π(f₁-f₂)t+φ₀)   (5)

由于φ₀₁、φ₂₂、φ₀₂、φ₁₂、φ₀均为常数，所以I_m与I_r比相后可得相位差Δφ为：

式中，λ＝632.8nm，为He—Ne激光波长；h为测量点与参考点之间经过时间间隔t产生的相对位移量；Δφ的单位为度。由式(6)可得： $s=\frac{\mathrm{\Δ\φ}}{720}\·\mathrm{\λ},$ 所以当相位测量分辨率为0.1°时，理论位移测量分辨率达到0.1nm。

测量原理如图3所示，横向塞曼双频光器1其输出正交线偏振的双频激光(p偏振光和s偏振光频率不同)，经低反射分光分束器2分成强度相同的两束光L1和L2，反射光经与p偏振方向成45度检偏后进入第三带检偏器探测器13形成拍频参考信号。透射光经半反射分光分束器3与第二全反射镜4构成的可调分束角机构，调节出射两束光夹角等于渥拉斯顿棱镜分束角。调节渥拉斯顿棱镜角度以及前后距离，使两束光角平分线与渥拉斯顿棱镜表面法线重合，并转动渥拉斯顿棱镜使其两双折射晶体楔块快轴方向正交，分别与入射光的偏振方向重合，以确保双频激光两偏振光经过渥拉斯顿棱镜后偏振混叠最小，最终使两束光相交进入渥拉斯顿棱镜后，L1光路的p偏振光与L2光路的s偏振光重合出射，L1光路的s偏振光与L2光路的p偏振光对称于渥拉斯顿棱镜法线方向出射。调节透镜6与渥拉斯顿棱镜之间距离以及角度，确保渥拉斯顿棱镜偏振分束面在透镜6前焦平面上，使重合后的L1光路的p偏振光和L2光路的s偏振光平行于大口径凸透镜6光轴入射，聚焦在磁头滑块上为两干涉光路公共测量点M，L1光路的s偏振光和L2光路的p偏振光对称倾斜于透镜6光轴入射，分别聚焦在硬盘盘片上为参考点R1、R2；两路干涉光路形成的两个参考点关于公共测量点成线性对称布置，因而测量光路、参考光以相同角度入射硬盘磁头滑块和硬盘盘片上。调节硬盘盘片盘面位于透镜6后焦平面上，参考光和测量光反射后返回经透镜6、渥拉斯顿棱镜5后自然合束，以45度入射到第三全反射镜9，进入贴有检偏方向45度偏振片的第一带检偏器探测器10输出测量拍频信号。测量信号与前述拍频参考信号输入双路四通道相位计中，得到反映测量点与参考点之间光程差量的信号相位差值。启动硬盘盘片从静止加速到稳态旋转过程，相位计输出两路干涉同步测量结果即由(6)式计算的硬盘磁头与硬盘盘片差分距离随时间变化。对L1光路和L2光路的干涉测量结果进行(9)-(11)式补偿处理，得到硬盘磁头相对飞行高度，即硬盘盘片从静态到稳态转动状态下，硬盘磁头飞行高度变化量。

本发明测量原理如图2(透射式)、图3(反射式)所示，图中L1光路、L2光路分别表示激光器分光后的两组干涉光路，共用同一测量臂。光源采用横向塞曼He-Ne激光器，其输出正交线偏振的双频激光(p偏振光和s偏振光)。经低反射分光分束器2分出一路检偏探测作为拍频参考信号，然后经半反射分光分束器3、第一全反射镜12形成夹角等于渥拉斯顿棱镜分束角的两束光，汇聚分别进入渥拉斯顿棱镜5。由于硬盘盘片在稳态转动状态下，相对于硬盘磁头存在较大的角位移，且在不同稳定转速下，硬盘盘片回转平面平衡位置不同，因此为了得到瞬态硬盘磁头飞行高度测量结果，需要在线补偿这一角度变化对测量结果造成的影响，补偿原理如图4：

当硬盘磁头从低速接触状态加速到飞行状态时，两路干涉仪差动距离变化测量结果分别为h_m1，h_m2

h_m1＝h+θs₁   (7)

h_m2＝h-θs₂   (8)

其中s₁，s₂分别为两路干涉仪测点横向距离，θ为盘片转动摆角，h为硬盘磁头滑块飞行高度。设

s₂＝Ks₁   (9)

在动态测量过程中，先测量硬盘盘片摆动运动，假设盘片为刚体，盘片表面绝对平整，由于测点间距存在线性比例关系，可以通过两路干涉仪测量结果的相关曲线拟合得出(9)式的K值：

为干涉相位变化量

由式(7)-(10)可得：

$h=\frac{{\mathrm{Kh}}_{m1}-h_{m2}}{K+1}---\left(11\right)$

由(11)式可以看出，测量飞行高度结果与测点位置无关，当K＝1时， $h=\frac{h_{m1}-h_{m2}}{2},$ 两路干涉测量误差理论上可完全相消。

分析飞行高度测量误差，有

$\mathrm{\Δh}=\frac{K}{K+1}\mathrm{\Δ}{h}_{m1}-\frac{1}{K+1}\mathrm{\Δ}{h}_{m2}+\frac{h_{n1}+h_{m2}}{{(K+1)}^2}\mathrm{\ΔK}---\left(12\right)$

其中Δh为飞行高度测量结果的不确定度。Δh_m1，Δh_m2表示为两路干涉仪各自系统误差；ΔK为两路干涉仪结果拟合误差。光路结构上确保K趋近于1，可以起到补偿系统误差的效果。确保测点布置在同一直线，可以减小ΔK及测量误差。

所述测量硬盘磁头滑块飞行高度系统的硬盘磁头飞行高度的测量方法包括以下步骤：

1)横向塞曼双频激光器1其输出正交线偏振的双频入射光L(包括频率不同的p偏振光和s偏振光)，由低反射分光分束器2分成两束光L1、L2，反射光经与p偏振光方向成45度检偏后进入第三带检偏器探测器13形成拍频参考信号；

2)透射光经半反射分光分束器3与第二全反射镜4构成的分束角可调机构，调节出射两束光夹角等于渥拉斯顿棱镜分束角；

3)调节渥拉斯顿角度以及前后距离，使两束光角平分线与渥拉斯顿棱镜表面法线重合，并转动渥拉斯顿棱镜使棱镜两双折射晶体楔块快轴方向正交，分别与入射光的偏振方向重合，以确保双频激光两偏振光经过渥拉斯顿棱镜后偏振混叠最小，最终使两束光相交进入渥拉斯顿棱镜后L1光路p偏振光与L2光路s偏振光重合出射，L1光路s偏振光与L2的p偏振光对称于渥拉斯顿棱镜法线方向出射；

4)调节透镜6与渥拉斯顿棱镜之间距离以及角度，确保渥拉斯顿棱镜偏振分束面在透镜6前焦平面上，使重合后的L1的p偏振光和L2的s偏振光平行于大口径凸透镜6光轴入射，聚焦在磁头滑块上为两干涉光路公共测量点M，L1的s偏振光和L2的p偏振光对称倾斜于透镜6光轴入射，分别聚焦在硬盘盘片上为参考点R1、R2，两路干涉光路形成的两个参考点关于公共测量点成线型对称布置，因而测量光路、参考光以相同角度入射磁头滑块和硬盘盘片上。

5)调节硬盘盘片的盘面位于透镜6后焦平面上，参考光和测量光反射后返回，经透镜6、渥拉斯顿棱镜5后自然合束，以45度入射到第三全反射镜9，进入贴有检偏方向45度偏振片的第一带检偏器探测器10输出测量拍频信号。

6)测量信号与前述拍频参考信号输入高速相位计中，得到反映测量点与参考点之间光程差量的信号相位差值；

7)启动硬盘盘片从静止加速到稳态旋转过程，相位计输出两路干涉同步测量结果，然后计算的硬盘磁头与硬盘盘片差分距离随时间变化；

8)对L1、L2两路干涉测量结果进行补偿处理，得到硬盘磁头相对飞行高度，即硬盘盘片从静态到稳态转动状态下，硬盘磁头飞行高度变化量。

上述进行补偿的信号处理即为阿贝误差补偿方法，可补偿硬盘盘片转动平衡位置变化对硬盘磁头滑块飞行高度测量结果的影响，也可对两路干涉测量结果系统误差进行补偿。

本方法中，采用共光路布局的外差干涉测量技术，同时满足了测量硬盘磁头飞行高度所要求的高系统稳定性、高测量分辨率和高采样频率。提出新的在线补偿原理，克服了传统的外差干涉法反射式测量硬盘磁头飞行高度时，由于硬盘盘片稳态位置改变可能引入的阿贝误差。该方法使用同一渥拉斯顿分光差动干涉仪实现两路干涉测量光路结构，符合共光路原则，并且对激光光束平漂、角漂具有自适应，因而系统具有很高的稳定性。利用高速FPGA相位卡实现外差干涉信号的相位测量，分辨率可以达到0.1°，对应约0.1nm分辨率，采样频率可以达到100kHz。两路干涉相位测量得到结果分别通过计算机接收。

本发明的实施例主要器件的型号及参数：

采用横向塞曼双频激光器1频差在几十到几百千赫，低反射分光分束器2的反射率为10％，半反射分光分束器3的反射率为50％，介质膜的全反射镜4，9，12反射率大于99％，渥拉斯顿棱镜5分束角0.906度，透镜6焦距为100mm，探测器10、11、13为检偏器45度安装的带检偏器探测器。硬盘盘片7与硬盘磁头滑块8为HITACHI公司生产的TravelStar系列硬盘盘片部件。

Claims (2)

1.一种测量硬盘磁头飞行高度系统，所述测量硬盘磁头飞行高度系统包括

一个输出一对偏振光正交的双频激光的横向塞曼双频激光器；

一个由相位计和工控计算机组成的信号处理部分，具有对两对测量参考信号进行同步测相采集、分析以及显示的功能，用于对上述相位计输出的测量信号进行在线补偿阿贝误差，对硬盘磁头飞行高度结果进行分析；其特征在于：该系统还包括一个干涉光路部分：

一个低反射分光分束器，用于对横向塞曼双频激光器输出的一对偏振光正交的双频激光进行分光探测，形成拍频参考信号；

一个分束角可调机构，由半反射分光分束器(3)和第一全反射镜(12)构成，用于将入射光分为强度相同的两束光，调节其汇聚夹角等于渥拉斯顿棱镜分束角；

一个渥拉斯顿棱镜，用于将入射光分为参考光和测量光；

一个透镜，该透镜为大口径长焦距透镜，用于将参考光和测量光分别聚焦在硬盘盘片和磁头滑块上；

第二全反射镜和第三全反射镜，用于调整光束进入检偏探测器；

三个检偏探测器，分别用于检偏探测一个拍频参考信号和两个测量拍频信号；

所述测量硬盘磁头飞行高度系统具体结构是，在横向塞曼双频激光器(1)发射端轴线上依次放置低反射分光分束器(2)、由半反射分光分束器(3)和第一全反射镜(12)构成的分束角可调机构、渥拉斯顿棱镜(5)、透镜(6)、放置在透镜(6)后焦面上的由硬盘盘片(7)和磁头滑块(8)组成的硬盘磁头结构；第二全反射镜(4)和第二检偏探测器(11)、第三全反射镜(9)和第一检偏探测器(10)分别放置在两路干涉测量光和参考光返回合束光方向上，及第三检偏探测器(13)放置在低反射分光分束器(2)反射光方向上。

2.使用如权利要求1所述测量硬盘磁头飞行高度系统进行共光路双频激光干涉测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)横向塞曼双频激光器(1)输出正交线偏振的双频入射光L，包括频率不同的p偏振光和s偏振光，由低反射分光分束器(2)分成两光路L1、L2，反射光经与p偏振光方向成45度检偏后进入第三检偏探测器(13)形成拍频参考信号；

2)透射光经半反射分光分束器(3)和第一全反射镜(12)构成的分束角可调机构，调节出射两束光夹角等于渥拉斯顿棱镜分束角；

3)调节渥拉斯顿棱镜角度以及前后距离，使两束光角平分线与渥拉斯顿棱镜表面法线重合，并转动渥拉斯顿棱镜，使棱镜的两双折射晶体楔块正交快轴方向分别与入射光的偏振方向重合，以确保双频激光两偏振光经过渥拉斯顿棱镜后偏振混叠最小，最终使两束光相交进入渥拉斯顿棱镜后L1光路的p偏振光与L2光路的s偏振光重合出射，L1光路的s偏振光与L2光路的p偏振光对称于渥拉斯顿棱镜法线方向出射；

4)调节透镜(6)与渥拉斯顿棱镜之间距离以及角度，确保渥拉斯顿棱镜偏振分束面在透镜(6)前焦平面上，使重合后的L1光路的p偏振光和L2光路的s偏振光平行于透镜(6)光轴入射，聚焦在磁头滑块(8)上的两干涉光路公共测量点M，L1光路的s偏振光和L2光路的p偏振光对称倾斜于透镜(6)光轴入射，分别聚焦在硬盘盘片(7)上的参考点R1、R2；两路干涉光路形成的两个参考点关于公共测量点成线性对称布置，因而测量光路、参考光以相同角度入射到磁头滑块(8)和硬盘盘片(7)上；

5)调节硬盘盘片的盘面位于透镜(6)后焦平面上，参考光和测量光反射后返回，经透镜(6)、渥拉斯顿棱镜(5)后自然合束，以45度入射到第三全反射镜(9)，进入贴有检偏方向45度偏振片的第一检偏探测器(10)输出测量拍频信号；

6)测量拍频信号与前述拍频参考信号输入相位计中，得到反映公共测量点与参考点之间光程差量的信号相位差值；

7)启动硬盘盘片从静止加速到稳态旋转过程，相位计输出L1、L2两光路干涉同步测量结果，然后计算的硬盘磁头与硬盘盘片差分距离随时间变化；

8)对L1、L2两光路干涉测量结果进行补偿处理，得到硬盘磁头相对飞行高度，即硬盘盘片从静态到稳态转动状态下，硬盘磁头飞行高度变化量。

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