CN101586941A - 一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉装置，包括第一偏振分光棱镜；第二偏振分光棱镜，位于所述第一偏振分光棱镜的透射光的光路上；第三偏振分光棱镜，位于所述第一偏振分光棱镜的反射光的光路上；第一四分之一波片，所述第二偏振分光棱镜位于所述第一四分之一波片和所述第一偏振分光棱镜之间；至少一个第一角锥棱镜，并排放置于所述第二偏振分光棱镜的一侧；第二四分之一波片，位于所述第三偏振分光棱镜的一侧，本发明采用多个偏振分光棱镜级联，并且测量光路和参考光路在干涉装置内部等光程，所以不但具有极低的非线性误差，而且温度漂移也比较低。

Description

一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉装置及方法

技术领域

本发明涉及高精密位移测量领域，且特别涉及一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉装置及方法。

背景技术

当相干光经过空间不同路径相遇后就会产生干涉条纹，通过对干涉条纹解调，就可以测量出一路光相对另一路光的光程差变化，从而测出物体微小的位移。双频激光干涉仪以激光波长作为测量尺度，通过光学细分，电子细分可以使测量达到很高的精度。并且具备大量程，高速度等优势。因而广泛应用于微电子制造，精密机床，汽车工业，航空航天等领域。

但是随着对干涉仪测量精度要求的不断提高，各式各样的误差开始上升为制约干涉装置精度提高的主要因素，其中就有非线性误差和温度漂移误差，而且这两个误差很难通过技术手段进行补偿，因而内在的决定了整个干涉装置测量系统的测量精度极限。

减小温度漂移的办法之一就是使参考光路和测量光路对称，用于补偿温度变化带来的测量误差。现有技术的结构示意图如图1所示。减少非线性误差的另一个方法就是用电子技术进行补偿。比如专利(专利号200610057744.2A)中用于干涉装置非线性误差补偿的系统和方法，但是这会极大的增加电子系统的复杂度。另外也有专利提出解决非线性误差问题的方法，比如专利(专利号200610090202.5A)单块式位移测量用干涉装置，但是它只适合双光束输入，非线性误差的产生根源在于参考光和测量光的不完全分离导致的光学混频，减少光学非线性误差最直接的办法就是使参考光和测量光尽可能的完全分离，通过减少光学混频减小非线性误差。如图1结构，有一个缺点，那就是要想同时获得低温度漂移，和低非线性误差。那么对偏振分光棱镜PBS，四分之一波片，角锥棱镜的性能指标和装调精度提出了很高的要求。而温度漂移和非线性误差指标对于亚纳米级测量精度双频激光干涉测量系统至关重要。

图2为现有的低温漂与低非线性误差双频激光干涉装置的结构示意图。激光器为稳频双频激光器，当在He-Ne激光器谐振腔加上纵向或者横向磁场后，由于塞曼效应，出射光将分裂为两个不同频率左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，频率分别为f1和f2，f1和f2经过激光器内部四分之一波片变为偏振方向相互垂直的线偏振光f1和f2，f1和f2经过激光器内部分光镜分出一部分用于提供基准频差信号，和提供激光器自身稳频的反馈信号。其余的大部分由激光器输出。

偏振态相互垂直，频率略为差异的激光束f1和f2入射到偏振分光棱镜1，由偏振分光棱镜1将其分为两束，f1透射过偏振分光棱镜1形成测量光(由实线表示)，然后经过第一四分之一波片4，第一四分之一波片4光轴方向与水平面成45度，因此f1变为圆偏振光。然后f1遇到测量反射镜5，被原路返回，当f1再次经过第一四分之一波片4后，重新变为线偏振光，此时f1的偏振方向已经旋转了90°。当f1再次遇到偏振分光棱镜1时，发生反射。然后f1经过角锥棱镜2，经角锥棱镜2折射后返回，和入射角锥棱镜2时的光线之间分开了一段距离。然后f1经过偏振分光棱镜1再次被反射，f1经过第一四分之一波片4变为圆偏振光，然后f1再次被测量反射镜5原路返回，当f1再次第一四分之一波片4后，重新变为线偏振光，并且偏振方向再次旋转90°，再次经过偏振分光棱镜1发生透射，被反光镜反射到检偏器上，此时测量光f1完成光路传输。

当激光器输出的光经过偏振分光棱镜1时，f2发生反射形成参考光路(由虚线表示，为了描述清楚，故意让参考光和测量光分开一段距离)。f2经过背部镀高反膜的第二四分之一波片3，同样第二四分之一波片3的光轴与水平成45度，当f2再次被第二四分之一波片3原路反射出的时候，由于两次经过四分之一波片，偏振方向旋转90°，当f2再次经过偏振分光棱镜1后发生透射，然后f2经过角锥棱镜2，经角锥棱镜2折射后返回，和入射角锥棱镜2时的光线之间分开了一段距离。然后f2透过偏振分光棱镜1，然后f2经过第二四分之一波片3，被原路返回，偏振方向再次旋转90°，然后f2经过偏振分光棱镜1被反射，然后f2经过反光镜反射到检偏器，此时测量光f2完成光路传输

当f1和f2经过检偏器后汇聚在一起发生干涉，干涉信号光电接收器转换为电信号输入激光技术卡，激光技术卡通过和激光器提供的基准干涉信号比对，从中提取出测量反射镜的位移信号。该位移信号经过误差补偿和单位换算，经显示设备显示出位移。

以上是现有技术中的光路的介绍，目前通用的偏振分光棱镜，其分光性能相对比较低。由其构成的低温漂双频激光干涉装置，虽然温度漂移比较低，但是非线性误差仍然比较大，不能满足超精密亚纳米级位移测量需求。如果提高偏振分光棱镜的消光比，则需要更高性能的镀膜设备和检测设备，成本高昂。

发明内容

为了克服已有技术中存在的缺点，本发明提供一种双频激光干涉装置和方法，可以同时实现低非线性误差和低温漂。

为了实现上述目的，本发明提出一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉装置，包括第一偏振分光棱镜；第二偏振分光棱镜，位于所述第一偏振分光棱镜的透射光的光路上；第三偏振分光棱镜，位于所述第一偏振分光棱镜的反射光的光路上；第一四分之一波片，所述第二偏振分光棱镜位于所述第一四分之一波片和所述第一偏振分光棱镜之间；至少一个第一角锥棱镜，并排放置于所述第二偏振分光棱镜的一侧；第二四分之一波片，位于所述第三偏振分光棱镜的一侧。

可选的，所述第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜的入射面相互平行。

可选的，所述第三偏振分光棱镜的一侧并排放置有至少一个第二角锥棱镜，所述第三偏振分光棱镜位于所述第二四分之一波片和所述第二角锥棱镜之间。

可选的，所述第一角锥棱镜和所述第二角锥棱镜的数量相同。

可选的，所述第一偏振分光棱镜和所述第二偏振分光棱镜的入射面相互平行，所述第三偏振分光棱镜的入射面和所述第二四分之一波片平行。

可选的，所述第三偏振分光棱镜位于所述第二四分之一波片和所述第二偏振分光棱镜之间。

可选的，所述第一偏振分光棱镜，第二偏振分光棱镜，第三偏振分光棱镜，第一四分之一波片，第二四分之一波片，第一角锥棱镜和第二角锥棱镜其中的全部或者部分，由光学胶或者其他等效手段胶合成为一体，构成一个整体的光学组件。

可选的，所述第二四分之一波片是由第一四分之一波片和镀在其背后高反膜组成。

可选的，所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片位置可以互换。

可选的，所述第一四分之一波片光轴与参考水平面成45度。

可选的，所述第二四分之一波片光轴与参考水平面成45度。

可选的，所述第二四分之一波片可以由第一四分之一波片和高反镜等效替代。

为了实现上述目的，本发明还提出一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉方法，包括：第一入射光经干涉装置中的第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜和至少一个第一角锥棱镜以及一测量反射镜的多次透射和反射，最终经所述第一偏振分光棱镜出射；第二入射光至少经干涉装置中的第一偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜和至少一个第二四分之一波片的多次透射和反射，最终经所述第一偏振分光棱镜出射。

可选的，所述第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜的入射面相互平行。

可选的，所述第三偏振分光棱镜的一侧并排放置有至少一个第二角锥棱镜，所述第三偏振分光棱镜位于所述第二四分之一波片和所述第二角锥棱镜之间。

可选的，所述第一角锥棱镜和所述第二角锥棱镜的数量相同。

可选的，所述第一偏振分光棱镜和所述第二偏振分光棱镜的入射面相互平行，所述第三偏振分光棱镜的入射面和所述第二四分之一波片平行。

可选的，所述第三偏振分光棱镜位于所述第二四分之一波片和所述第二偏振分光棱镜之间。

可选的，所述第一偏振分光棱镜，第二偏振分光棱镜，第三偏振分光棱镜，第一四分之一波片，第二四分之一波片，第一角锥棱镜和第二角锥棱镜其中的全部或者部分，由光学胶或者其他等效手段胶合成为一体，构成一个整体的光学组件。

可选的，所述第二四分之一波片是由第一四分之一波片和镀在其背后高反膜组成。

可选的，所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片位置可以互换。

可选的，所述第一四分之一波片光轴与参考水平面成45度。

可选的，所述第二四分之一波片光轴与参考水平面成45度。

可选的，所述第二四分之一波片可以由第一四分之一波片和高反镜等效替代。

本发明所述的一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉装置和方法的有益效果主要表现在：本发明利用三个普通消光比偏振分光棱镜构建出了具备极高消光比的偏振分光系统，使参考光和测量光最大限度的分离，因而具备极低的非线性误差，同时对单个偏振分光棱镜的消光比性能要求并不高，极大的降低了高性能干涉仪的制造难度和成本；第二，由于参考光路和测量光路完全对称，使得参考光路和测量光路随温度变化基本相同，从而具备很低的温度漂移；第三，由于在参考光路和测量光路中加入了四分之一波片和角锥棱镜，因而构成了四倍光学细分双频激光干涉仪。

附图说明

图1是现有技术的激光干涉装置结构示意图；

图2是现有技术的激光干涉装置应用示意图；

图3是本发明第一实施例的结构示意图；

图4是本发明第二实施例的结构示意图；

图5是本发明第三实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明作进一步的说明。

首先，请参考图3，图3是本发明第一实施例的结构示意图，从图上可以看到，本发明包括第一偏振分光棱镜7；第二偏振分光棱镜8，位于所述第一偏振分光棱镜7的透射光的光路上；第三偏振分光棱镜9，位于所述第一偏振分光棱镜7的反射光的光路上；第一四分之一波片10，所述第二偏振分光棱镜8位于所述第一四分之一波片10和所述第一偏振分光棱镜7之间；一个第一角锥棱镜12，放置于所述第二偏振分光棱镜8的一侧；第二四分之一波片14，位于所述第三偏振分光棱镜9的一侧。所述第一偏振分光棱镜7、第二偏振分光棱镜8和第三偏振分光棱镜9的分光面相互平行。所述第三偏振分光棱镜9的一侧放置有一个第二角锥棱镜13，所述第三偏振分光棱镜9位于所述第二四分之一波片14和所述第二角锥棱镜13之间。所述第一角锥棱镜12和所述第二角锥棱镜13的数量相同，不一定是一个，也可以是多个，比如两个、三个，这在第三实施例中会继续说明。图3中除测量反射镜11。其余的部分取代图2中虚线圈住的部分。激光器输出激光入射到第一偏振分光棱镜(PBS)7，被分为两束，比如设为f1和f2，f1透射形成测量光路(由实线表示)，f2被反射形成参考光路(由虚线表示，同样为了描述清楚，故意将测量光f1和参考光f2分开一小段距离，实际上他们二者是重合的)。f1透过第一偏振分光棱镜7后，经过第二偏振分光棱镜8，由于经过两次分光，此时f1将具备很高的消光比。然后经过第一四分之一波片10，第一四分之一波片10光轴方向与水平面成45度，因此f1变为圆偏振光。然后f1遇到测量反射镜11，被原路返回，当f1再次经过第一四分之一波片10后，重新变为线偏振光，此时f1的偏振方向已经旋转了90°。当f1再次遇到第二偏振分光棱镜8时，发生反射。然后f1经过第一角锥棱镜12，被第一角锥棱镜12原路返回，但是分开了一段距离。然后f1经过第二偏振分光棱镜8再次被反射，然后f1经过第一四分之一波片10变为圆偏振光，然后f1再次被测量反射镜11原路返回，当f1再次第一四分之一波片10后，重新变为线偏振光，并且偏振方向再次旋转90°，然后再次经过第二偏振分光棱镜8发生透射，然后经过第一偏振分光棱镜7再次透射，然后被反光镜(此处参考图2，图3中未示)反射到检偏器(图中未示)上，此时测量光f1完成光路传输。

同样，当激光器输出的光入射到第一偏振分光棱镜7后，其中的f2发生反射形成参考光路。f2经过第三偏振分光棱镜9，再次被反射，然后f2经过背部镀高反膜的第二四分之一波片14，同样第二四分之一波片14的光轴与水平成45度，当f2再次被第二四分之一波片14原路反射出的时候，由于两次经过第二四分之一波片，偏振方向旋转90°，然后f2经过第三偏振分光棱镜9，这时发生透射，然后f2经过第二角锥棱镜13，被原路返回，但是分开了一段距离。然后f2透过第三偏振分光棱镜9，然后f2经过第二四分之一波片14，被原路返回，偏振方向再次旋转90°，然后f2经过第三偏振分光棱镜9被反射，然后f2经过第一偏振分光棱镜7被再次反射，然后f2经过反光镜反射到检偏器，当f1和f2经过检偏器后汇聚在一起发生干涉，该干涉信号被后续系统处理，提取出位移信息并可视化显示出来。由于本发明无论参考光路还是测量光路都相当于两个偏振分光棱镜级联，因而其分光性能可以达到很高的水平，非线性误差极低，同时由于测量光路和参考光路对称，其温度漂移也可以非常的低。

接着，请参考图4，图4是本发明第二实施例的结构示意图，从图上可以看到，图4是本发明公开的位于参考臂的偏振分光棱镜绕光轴旋转90°的低温漂，低非线性误差双频激光干涉仪的实施例。由于目前通用的偏振分光棱镜透射光消光比普遍高于反射光消光比，因而若在参考臂采用其透射光的话，整个干涉仪系统将会达到更低非线性误差。

同样除测量反射镜19。其余的部分取代图2中虚线圈住的部分。激光器输出激光入射到第一偏振分光棱镜15，被分为两束，依旧设为f1和f2，f1透射形成测量光路(由实线表示)，f2被反射形成参考光路(由虚线表示，同样为了描述清楚，故意将测量光f1和参考光f2分开一小段距离，实际上他们二者是重合的)。f1透过第一偏振分光棱镜15后，再次经过第二偏振分光棱镜16，由于经过两次分光，此时f1将具备很高的消光比。然后经过第一四分之一波片18，第一四分之一波片18光轴方向与水平面成45度，因此f1变为圆偏振光。然后f1遇到测量反射镜19，被原路返回，当f1再次经过第一四分之一波片18后，重新变为线偏振光，此时f1的偏振方向已经旋转了90°。当f1再次遇到第二偏振分光棱镜16时，发生反射。然后f1经过第一角锥棱镜20，被第一角锥棱镜20原路返回，但是分开了一段距离。然后f1经过第二偏振分光棱镜16再次被反射，然后f1经过第一四分之一波片18变为圆偏振光，然后f1再次被测量反射镜19原路返回，当f1再次第一四分之一波片18后，重新变为线偏振光，并且偏振方向再次旋转90°，然后再次经过偏振分光棱镜16发生透射，然后经过第一偏振分光棱镜15再次透射，然后被反射镜反射到检偏器上，此时测量光f1完成光路传输。

同样，当激光器输出的光入射到第一偏振分光棱镜15后，其中的f2发生反射形成参考光路。由于第三偏振分光棱镜17相对第一偏振分光棱镜15绕光轴旋转了90°，因而f2经过第三偏振分光棱镜17，发生透射，然后f2经过背部镀高反膜的第二四分之一波片22，同样第二四分之一波片22的光轴与水平成45度，当f2再次被第二四分之一波片22原路反射出的时候，由于两次经过第二四分之一波片22，偏振方向旋转90°，然后f2经过第三偏振分光棱镜17，这时发生反射，然后f2过背部镀高反膜的第二四分之一波片22，被原路返回，偏振方向再次旋转90°，然后f2经过偏振分光棱镜17并且透射，然后f2经过第一偏振分光棱镜15被再次反射，然后f2经过反射镜反射到检偏器，当f1和f2经过检偏器后汇聚在一起发生干涉，该干涉信号被后续系统处理，提取出位移信息并可视化显示出来。由于本发明无论参考光路还是测量光路都相当于两个偏振分光棱镜级联，因而其分光性能可以达到很高的水平，非线性误差极低，同时由于测量光路和参考光路对称，其温度漂移也可以非常的低。

最后，请参考图5，图5是本发明第三实施例的结构示意图，图5中，本发明公开了应用于三轴的低温漂，低非线性误差双频激光干涉仪的实施例。由于三轴干涉仪在微电子制造领域有着重大的应用，因此将双频激光干涉仪扩展为两轴，三轴或者更多的轴，有着重大的现实意义。在该干涉仪系统前面还存在一个分光系统，将一束光分为三束光，用于测量三个不同的轴。分光系统加上如图5所示除去测量反射镜34其余的部分取代图2中虚线圈住的部分，第三实施例中光路图和第一实施例类似，只是将第一实施例中的f1分为平行的三束光，f2也分为平行的三束光，第一角锥棱镜和第二角锥棱镜的数量为三个且并排放置，此处不在详细说明。

另外，本发明还提出的一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉方法，包括：第一入射光f1经干涉装置中的第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜和至少一个第一角锥棱镜以及一测量反射镜的多次透射和反射，最终经所述第一偏振分光棱镜出射；第二入射光至少经干涉装置中的第一偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜和至少一个第二四分之一波片的多次透射和反射，最终经所述第一偏振分光棱镜出射。

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。本发明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，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (23)

1.一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉装置，其特征在于：

第一偏振分光棱镜；

第二偏振分光棱镜，位于所述第一偏振分光棱镜的透射光的光路上；

第三偏振分光棱镜，位于所述第一偏振分光棱镜的反射光的光路上；

第一四分之一波片，所述第二偏振分光棱镜位于所述第一四分之一波片和所述第一偏振分光棱镜之间；

至少一个第一角锥棱镜，并排放置于所述第二偏振分光棱镜的一侧；

第二四分之一波片，位于所述第三偏振分光棱镜的一侧。

2.根据权利要求1所述一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉装置，其特征在于所述第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜的入射面相互平行。

3.根据权利要求2所述一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉装置，其特征在于所述第三偏振分光棱镜的一侧并排放置有至少一个第二角锥棱镜，所述第三偏振分光棱镜位于所述第二四分之一波片和所述第二角锥棱镜之间。

4.根据权利要求3所述一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉装置，其特征在于所述第一角锥棱镜和所述第二角锥棱镜的数量相同。

5.根据权利要求1所述一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉装置，其特征在于所述第一偏振分光棱镜和所述第二偏振分光棱镜的入射面相互平行，所述第三偏振分光棱镜的入射面和所述第二四分之一波片平行。

6.根据权利要求5所述一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉装置，其特征在于所述第三偏振分光棱镜位于所述第二四分之一波片和所述第二偏振分光棱镜之间。

7.根据权利要求1所述一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉装置，其特征在于所述第一偏振分光棱镜，第二偏振分光棱镜，第三偏振分光棱镜，第一四分之一波片，第二四分之一波片，第一角锥棱镜和第二角锥棱镜其中的全部或者部分，由光学胶或者其他等效手段胶合成为一体，构成一个整体的光学组件。

8.根据权利要求1所述一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉装置，其特征在于所述第二四分之一波片是由第一四分之一波片和镀在其背后高反膜组成。

9.根据权利要求1所述一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉装置，其特征在于所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片位置可以互换。

10.根据权利要求1所述一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉装置，其特征在于所述第一四分之一波片光轴与参考水平面成45度。

11.根据权利要求1所述一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉装置，其特征在于所述第二四分之一波片光轴与参考水平面成45度。

12.根据权利要求1所述一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉装置，其特征在于所述第二四分之一波片可以由第一四分之一波片和高反镜等效替代。

13.一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉方法，其特征在于包括：

第一入射光经干涉装置中的第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜和至少一个第一角锥棱镜以及一测量反射镜的多次透射和反射，最终经所述第一偏振分光棱镜出射；

第二入射光至少经干涉装置中的第一偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜和第二四分之一波片的多次透射和反射，最终经所述第一偏振分光棱镜出射。

14.根据权利要求13所述一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉方法，其特征在于所述第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜的入射面相互平行。

15.根据权利要求14所述一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉方法，其特征在于所述第三偏振分光棱镜的一侧并排放置有至少一个第二角锥棱镜，所述第三偏振分光棱镜位于所述第二四分之一波片和所述第二角锥棱镜之间。

16.根据权利要求15所述一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉方法，其特征在于所述第一角锥棱镜和所述第二角锥棱镜的数量相同。

17.根据权利要求13所述一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉方法，其特征在于所述第一偏振分光棱镜和所述第二偏振分光棱镜的入射面相互平行，所述第三偏振分光棱镜的分光面和所述第二四分之一波片平行。

18.根据权利要求17所述一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉方法，其特征在于所述第三偏振分光棱镜位于所述第二四分之一波片和所述第二偏振分光棱镜之间。

19.根据权利要求13所述一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉方法，其特征在于所述第二四分之一波片是由第一四分之一波片和镀在其背后高反膜组成。

20.根据权利要求13所述一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉方法，其特征在于所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片位置可以互换。

21.根据权利要求13所述一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉方法，其特征在于所述第一四分之一波片光轴与参考水平面成45度。

22.根据权利要求13所述一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉方法，其特征在于所述第二四分之一波片光轴与参考水平面成45度。

23.根据权利要求13所述一种低非线性误差与低温漂双频激光干涉方法，其特征在于所述第二四分之一波片可以由第一四分之一波片和高反镜等效替代。

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