CN101566459A - 一种双频激光干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双频激光干涉仪，其包括第一偏振分光棱镜，在第一偏振分光棱镜的反射光方向设置有第二偏振分光棱镜、补偿镜和第一角锥棱镜，在第一偏振分光棱镜的透射光方向设置有四分之一波片与反射镜，第二角锥棱镜与第二偏振分光棱镜相对，设置于第一偏振分光棱镜的另一侧，其中，补偿镜的厚度为四分之一波片厚度的两倍。本发明提供的高稳定的双频激光干涉仪，一方面可提高反射光的消光比，在不增加偏振分光棱镜加工难度的前提下降低非线性误差，另一方面也最大限度地减小了热漂移误差，因此具有低热漂移误差、低非线性误差、装调简单、元件易加工等优点。

Description

一种双频激光干涉仪

技术领域

本发明涉及一种激光干涉仪，特别是涉及一种双频激光干涉仪。

背景技术

激光干涉仪作为一种超精密的非接触式测量设备，可以进行高速高精密的位移测量，如果与不同的附件组合，还可以进行长度、速度、角度、平面度、直线度等测量，具有测量范围大、分辨率高、精度高等优势。在半导体制造、精密机床加工、军事、航天、汽车制造、坐标测量等领域都具有非常广泛的应用。随着激光干涉仪分辨率和测量精度的不断提高，非线性误差和热漂移误差越来越引起人们的重视。

非线性误差是由于测量臂和参考臂不同偏振态的激光互相渗透所造成的。其中最核心的元件是偏振分光棱镜，如果要获得足够小的非线性误差，必须要求偏振分光棱镜的反射光和透射光同时具有非常高的消光比，但实际上，受镀膜、胶合等工艺限制，偏振分光棱镜的透射光消光比可以做得很高，但反射光消光比则要低的多，因此这相当困难。而且，由于反射光的消光比随入射角度变化非常敏感，因此对于反射臂的装调也要求相当高。

热漂移误差是由于测量臂和参考臂的玻璃光程不对称所造成的，因此为了获得足够小的热漂移误差，必须尽量使反射臂和透射臂的光束走过相同种类和相同厚度的玻璃。

已知技术在降低干涉仪非线性误差与热漂移误差方面做了很多努力。如图1所示为一种已知的平面镜干涉仪的结构示意图。此为Agilent公司的10706A平面镜干涉仪，图中实虚线分别表示一束双频激光中的两种频率激光的光路。该结构中，反射光的角锥棱镜可以使光束(如实线所示)按原路返回，其误差通常小于5″，大大降低了反射臂的装调要求，有利于降低非线性误差。但该结构的透射光是4倍光程而反射光是2倍光程，两光束所经过的玻璃厚度明显不同，因此存在很大的热漂移误差。

图2所示为另一种已知的平面镜干涉仪的结构示意图。此为Agilent公司的10706B高稳定平面镜干涉仪的结构示意图。图中实虚线分别表示一束双频激光中的两种频率激光的光路。该结构优点是，反射臂和透射臂的光路对称，因此热漂移误差非常小；但非线性误差受反射臂镀膜1/4波片的装调的影响很明显，导致非线性误差很难控制。而且，图1和图2中的这两种结构的非线性误差都受偏振分光棱镜的消光比影响。

图3所示为另一种已知的低非线性误差的位移测量干涉仪(参见中国发明专利，公开号CN1854678A)，该结构通过在参考光和测量光各自通往检测器的大部分光路上将它们隔离开来，以减小非线性误差。但该结构非常复杂，使用元件较多，装调困难，而且最终非线性误差仍然受偏振分光棱镜反射光低消光比的影响。

发明内容

有鉴于上述的问题，本发明的目的在于提供一种高稳定的双频激光干涉仪，用以降低非线性误差以及热漂移误差。

本发明提出了一种双频激光干涉仪，其包括第一偏振分光棱镜，在第一偏振分光棱镜的反射光方向设置有第二偏振分光棱镜、补偿镜和第一角锥棱镜，在第一偏振分光棱镜的透射光方向设置有四分之一波片与反射镜，第二角锥棱镜与第二偏振分光棱镜相对，设置于第一偏振分光棱镜的另一侧，其中，补偿镜的厚度为四分之一波片厚度的两倍。

本发明所提出的双频激光干涉仪，第一偏振分光棱镜的入射面与第二偏振分光棱镜的入射面相互垂直。

本发明所提出的双频激光干涉仪，补偿镜设置于第二偏振分光棱镜与第一角锥棱镜之间。

本发明所提出的双频激光干涉仪，补偿镜设置于第一偏振分光棱镜与第二偏振分光棱镜之间。

本发明所提出的双频激光干涉仪，第一角锥棱镜与第二角锥棱镜的数目可为多个且数目相等，用以调整多轴光束。

本发明所提出的双频激光干涉仪，第一角锥棱镜与第二角锥棱镜的数目各为三个，用以调整三轴光束。

本发明提供的高稳定的双频激光干涉仪，一方面通过在第一偏振分光棱镜的反射光方向设置一个入射面与第一偏振分光棱镜入射面相互垂直的第二偏振分光棱镜，从而大大提高了反射光的消光比，在不增加偏振分光棱镜加工难度的前提下降低非线性误差，另一方面本发明中透射光和反射光的光束通过相同类型、相同厚度的玻璃，也最大限度地减小了热漂移误差。因此本发明提供的双频激光干涉仪具有低热漂移误差、低非线性误差、装调简单、元件易加工等优点。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1所示为一种已知的平面镜干涉仪的结构示意图。

图2所示为另一种已知的平面镜干涉仪的结构示意图。

图3所示为另一种已知的低非线性误差的位移测量干涉仪。

图4所示为根据本发明第一实施例的双频激光干涉仪的结构示意图。

图5所示为根据本发明第一实施例的双频激光干涉仪的应用示意图。

图6所示为根据本发明第二实施例的双频激光干涉仪的结构示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

请参照图4，图4所示为根据本发明一实施例的双频激光干涉仪的结构示意图。

图4所示的双频激光干涉仪结构中，包括第一偏振分光棱镜1、第二偏振分光棱镜2、补偿镜3、第一角锥棱镜4、四分之一波片5、测量反射镜6以及第二角锥棱镜7。

如图4所示，来自双频激光器的激光束包含f1、f2两种频率的激光，是偏振方向相互垂直的两个线偏振光，该双频激光束在第一偏振分光棱镜1的分光面被分开，其中偏振方向垂直于入射面的f2被反射，而偏振方向平行于入射面的f1则被透射。

在f2的传播方向上放置第二偏振分光棱镜2，使第二偏振分光棱镜2的入射面与第一偏振分光棱镜1的入射面垂直，所以f2的偏振方向平行于第二偏振分光棱镜2的入射面，因此f2被第二偏振分光棱镜2透射。然后f2通过补偿镜3到达第一角锥棱镜4，在第一角锥棱镜4表面偏离一定位置并以偏转180度方向回射，再次经过补偿镜3、第二偏振分光棱镜2、第一偏振分光棱镜1，并被第一偏振分光棱镜1反射。

与此同时，偏振方向与第一偏振分光棱镜1的入射面平行的f1被透射，在其传播方向上放置四分之一波片5、测量反射镜6、第二角锥棱镜7。线偏振光f1经过1/4波片之后变为圆偏振光，经测量反射镜6之后原路返回，再次经过四分之一波片5之后，f1又变为线偏振光，其偏振方向垂直于第一偏振分光棱镜1的入射面，因此被反射至第二角锥棱镜7，在第二角锥棱镜7的表面偏离一定位置并偏转180度回射，并再次被第一偏振分光棱镜1反射至四分之一波片5和测量反射镜6，来回经过四分之一波片5后，f1的偏振方向再次和第一偏振分光棱镜1的入射面平行，因此被透射并与f2汇合。

反射的光束f1总共经过的玻璃厚度为：2次第一偏振分光棱镜1、2次第二偏振分光棱镜2、2次补偿镜3、1次第一角锥棱镜4；透射的光束f2总共经过的玻璃厚度为4次第一偏振分光棱镜1、4次四分之一波片5、1次第二角锥棱镜7。在本实施例中，补偿镜3的厚度为四分之一波片5的两倍，因此f1和f2经过相同厚度的玻璃从而减小了热漂移误差。

本实施例在第一偏振分光棱镜1的反射光方向再串联一个第二偏振分光棱镜2，使第二偏振分光棱镜2的入射面与第一偏振分光棱镜1的入射面相互垂直，这样被第一偏振分光棱镜1反射的光束可以透过第二偏振分光棱镜2，利用第二偏振分光棱镜2的高透射光消光比来弥补第一偏振分光棱镜1的低反射光消光比。在不增加偏振分光棱镜加工难度的前提下，可大大降低了非线性误差。同时由于反射光采用第一角锥棱镜1作为回射器，其角度偏差小于5″，与图2所示的方案相比，可大大降低干涉仪的装调难度。

更进一步的，根据本实施例所提供的双频激光干涉仪，其补偿镜3的位置可以在第一偏振分光棱镜1和第二偏振分光棱镜2之间，也可以在第二偏振分光棱镜2和第一角锥棱镜4之间，本发明不限于此。另外，本实施例提供的双频激光干涉仪，可以将部分或者全部光学元件胶合在一起，也可以采用分立的光学元件。

为了更加清楚的说明本实施例在实际中的应用，请参照图5，图5所示为根据本发明的一实施例的双频激光干涉仪的应用示意图。

如图5所示，来自双频激光器模块30的激光束包含f1、f2两种频率的激光，是偏振方向相互垂直的两个线偏振光，该双频激光束在第一偏振分光棱镜1的分光面被分开，其中偏振方向垂直于入射面的f2被反射，而偏振方向平行于入射面的f1则被透射。在f2的传播方向上放置第二偏振分光棱镜2，并使第二偏振分光棱镜2的入射面与第一偏振分光棱镜1的入射面垂直，因此f2的偏振方向平行于第二偏振分光棱镜2的入射面，于是透过第二偏振分光棱镜2。然后通过补偿镜3到达第一角锥棱镜4，在第一角锥棱镜4表面偏离一定位置并以偏转180度方向回射，再次经过补偿镜3、第二偏振分光棱镜2、第一偏振分光棱镜1，并在第一偏振分光棱镜1的分光面与f1汇合。

与此同时，偏振方向与第一偏振分光棱镜1的入射面平行的f1被透射，在其传播方向上放置四分之一波片5、测量反射镜6、第二角锥棱镜7。线偏振光f1经过四分之一波片5之后，变为圆偏振光，经测量反射镜6之后原路返回，再次经过四分之一波片5之后，f1又变为线偏振光，其偏振方向垂直于第一偏振分光棱镜1的入射面，因此被第一偏振分光棱镜1反射至第二角锥棱镜7，在第二角锥棱镜7表面偏离一定位置并偏转180度返回，并再次被第一偏振分光棱镜1反射至四分之一波片5和测量反射镜6，来回经过四分之一波片5之后，f1的偏振方向再次和第一偏振分光棱镜1的入射面平行，因此被第一偏振分光棱镜1透射并与f2汇合。由于多普勒效应，由运动的测量反射镜6返回的f1，其频率变为f1±2Δf。其中Δf含有位移信息。

汇合后的f2和f1±2Δf被送往光电转换器模块40，转换成电信号，并送入激光计数模块50，通过处理将Δf转化为测量反射镜6的位移信息，并输出。

上述的双频激光器模块30、光电转换器模块40以及激光计数模块50是本领域的通用模块，在此就不再赘述这些模块的结构与原理，这些模块的具体组成也不限于此。

根据本发明提供的干涉仪，它还可以紧凑的形式调整任意数目的光束。为了更清楚的说明这一点，请参照图6，图6所示为根据本发明另一实施例的双频激光三轴干涉仪的结构示意图。它由第一偏振分光棱镜11、第二偏振分光棱镜12、补偿镜13、第一角锥棱镜14、15、16、四分之一波片17、测量反射镜18、第二角锥棱镜19、20、21。光束23、光束24、光束27是由双频激光器通过分光系统分出来的三束入射光；光束22、光束25、光束26可分别通往三个探测器。光束在双频激光三轴干涉仪中的光路情况与图4中类似，在此不在赘述。根据本发明的双频激光干涉不仅可用以调整单轴光束，三轴光束，还可以用以调整任意数目的光束，本发明不限于此。另外，本实施例提供的双频激光干涉仪，可以将部分或者全部光学元件胶合在一起，也可以采用分立的光学元件。

综上所述，本发明提供的高稳定的双频激光干涉仪，一方面通过在第一偏振分光棱镜的反射光方向设置一个入射面与第一偏振分光棱镜入射面相互垂直的第二偏振分光棱镜，从而大大提高了反射光的消光比，在不增加偏振分光棱镜加工难度的前提下降低非线性误差，另一方面本发明中透射光和反射光的光束通过相同类型、相同厚度的玻璃，也最大限度地减小了热漂移误差。因此本发明提供的双频激光干涉仪具有低热漂移误差、低非线性误差、装调简单、元件易加工等优点。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (6)

1.一种双频激光干涉仪，其特征在于，包括第一偏振分光棱镜，在所述第一偏振分光棱镜的反射光方向设置有第二偏振分光棱镜、补偿镜和第一角锥棱镜，在所述第一偏振分光棱镜的透射光方向设置有四分之一波片与反射镜，第二角锥棱镜与所述第二偏振分光棱镜相对，设置于所述第一偏振分光棱镜的另一侧，其中，所述补偿镜的厚度为所述四分之一波片厚度的两倍。

2.根据权利要求1所述的双频激光干涉仪，其特征在于，所述第一偏振分光棱镜的入射面与所述第二偏振分光棱镜的入射面相互垂直。

3.根据权利要求1所述的双频激光干涉仪，其特征在于，所述补偿镜设置于所述第二偏振分光棱镜与所述第一角锥棱镜之间。

4.根据权利要求1所述的双频激光干涉仪，其特征在于，所述补偿镜设置于所述第一偏振分光棱镜与所述第二偏振分光棱镜之间。

5.根据权利要求1所述的双频激光干涉仪，其特征在于，所述第一角锥棱镜与所述第二角锥棱镜的数目可为多个且数目相等，用以调整多轴光束。

6.根据权利要求5所述的双频激光干涉仪，其特征在于，所述第一角锥棱镜与所述第二角锥棱镜的数目各为三个，用以调整三轴光束。

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