CN101629804B - 共路激光干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种共路激光干涉仪，它包括激光器、偏振分光镜、反射镜、衍射光栅、偏振片、凸透镜和光电探测器，在激光器发出光束方向上放置偏振分光镜，偏振分光镜的分光面与激光器发出光束方向成45°；在偏振分光镜的分光面方向上的上侧和下侧分别放置反射镜和衍射光栅；在出射光的方向上依次放置偏振片、凸透镜和光电探测器，这三个元件的光轴方向与偏振分光镜的分光面成45°，与激光器发出光束方向成90°。本发明应用于纳米级和亚纳米级位移的测量。将激光多普勒技术与激光偏振干涉技术相结合，增强光路对外界环境的抗干扰能力，提高了激光干涉仪的测量分辨力和精度。

Description

共路激光干涉仪

技术领域

本发明涉及精密测量领域，特别是一种共路激光干涉仪，应用于纳米级和亚纳米级位移的测量。将激光多普勒技术与激光偏振干涉技术相结合，增强光路对外界环境的抗干扰能力，提高激光干涉仪的测量分辨力和精度。

背景技术

21世纪，纳米科学技术将成为推动世界各国经济发展的主要驱动力之一。纳米测量技术随着纳米科技的发展日益丰富而先进，为推动纳米科学技术的发展与应用提供了可靠的技术保障。反过来，纳米科技研究的飞速发展，又对纳米测量技术提出迫切的更高的要求。只有研制和开发更加先进的纳米测量技术和仪器，才能进一步促进纳米科技的发展。近年来，纳米测量仪器在纳米科学技术产业化中占有绝对地位，成为一个国家纳米科技实力的重要标志之一。国外研究者们在该领域的研究不断取得进展和突破，不断提高和改进纳米测量仪器的性能，使测量精度达到纳米精度，测量分辨力开始迈向亚纳米时代。

由于目前使用的长度溯源依然是光波长，光学的纳米测量尤为重要，主要采用激光干涉测量方法，并始终受到国内外关注和研究。基于激光干涉技术的纳米测量仪器，以完善的光学理论作支撑，集激光多普勒技术和激光偏振干涉技术的优点于一身，具有测量精度高、非接触测量、稳定性高、抗干扰能力强、不易受气压湿度、空气扰动的影响、体积小、安装容易、调试简单等优点，可用于超高精度工作台、半导体电子检测、纳米加工制造、微/纳机电系统、生物化学分子原子操纵、国防军事的高精度测控等方面。研究和发展以激光干涉技术为基础的纳米测量仪器，增强其抗干扰能力，提高测量精度和分辨力，为推动纳米科学技术的发展与应用提供了可靠的技术保障，具有重要理论意义和巨大的经济价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种共路激光干涉仪，将激光多普勒技术与激光偏振干涉技术相结合，光路中两束差动测量光所经路径完全相同，实现光学四细分，使该干涉仪具有较强的抗干扰能力，以提高激光干涉仪的测量精度和分辨力。

本发明提供的共路激光干涉仪包括：激光器、偏振分光镜、反射镜、衍射光栅、偏振片、凸透镜和光电探测器；在激光器发出光束方向上放置偏振分光镜，偏振分光镜的分光面与激光器发出光束方向成45°；在偏振分光镜的分光面方向上的上侧和下侧分别放置反射镜和衍射光栅；在出射光的方向上依次放置偏振片、凸透镜和光电探测器，这三个元件的光轴方向与偏振分光镜的分光面成45°，与激光器发出光束方向成90°。

反射镜的镜面和衍射光栅的平面均与偏振分光镜的分光面相垂直，并且，激光器和偏振片、凸透镜、光电探测器这三个元件分别位于偏振分光镜的分光面的左侧和右侧。

本发明所述的共路激光干涉仪的应用，可用于位移测量。

本发明提供一种共路激光干涉仪的组装方法包括步骤：

1)组装与光学元件的调节。根据光路图选取光学元件组装，并配置可调镜架、支撑杆和磁性底座，调节各元件的高度和角度使各元件中心基本在同一高度，达到同心共轴；调节激光器光束处于水平方向。调节反射镜反射光束的光斑中心与激光器光孔中心同高。调节衍射光栅，使激光光束射在衍射光栅上发生衍射，转动光栅使任一级衍射光打在激光器光孔边缘并且调节其高度与反射镜的调节相同。调节偏振分光镜的每个面，直到每个面反射光光斑中心与激光器光孔中心等高。

2)元件的放置。严格按照光路图中各元件的位置要求，依照光束所经元件的次序，仔细调整激光器、偏振分光镜、衍射光栅和反射镜的位置和角度，使两束光第二次经过偏振分光镜后汇聚在一起，从约5米处距离观察两个光斑是否重合。如果基本重合，则可放置偏振片和凸透镜。

3)偏振片的调节。调整偏振片的偏振化方向，p光和s光的二次衍射光在偏振片透光轴上投影分量由于满足干涉条件而发生干涉。缓慢旋转偏振片，可改变两光束透过的光强，将干涉条纹的可见度调至最佳状态。

4)凸透镜的调节。由于条纹极为密集，近距离内肉眼难以分辨，不适于放置光电探测器。调整凸透镜的位置，使光电探测器恰好接收一个条纹宽度信号。至此，光路调节完毕，可用于位移测量。

本发明是提供的共路激光干涉仪将激光多普勒技术与激光偏振干涉技术相结合，激光器发出的光束经过偏振分光镜分为p光和s光，光路中两束差动测量光所经路径完全相同，实现光学四细分，使该干涉仪具有较强的抗干扰能力，提高了激光干涉仪的测量精度和分辨力。

附图说明

图1是本发明的共路激光干涉仪结构示意图。

图2是本发明的两束差动测量光共路分析图。

图3是本发明的激光多普勒频移分析图。

图4是本发明的实例测量流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明：

如图1所示，共路激光干涉仪包括激光器1、偏振分光镜2、反射镜3、衍射光栅4、偏振片5、凸透镜6和光电探测器7；在激光器1发出光束方向上放置偏振分光镜2，偏振分光镜2的分光面与激光器1发出光束方向成45°；在偏振分光镜2的分光面方向上的上侧和下侧分别放置反射镜3和衍射光栅4；在出射光的方向上依次放置偏振片5、凸透镜6和光电探测器7，这三个元件的光轴方向与偏振分光镜2的分光面成45°，与激光器1发出光束方向成90°。反射镜的镜面和衍射光栅的平面均与偏振分光镜的分光面相垂直，并且，激光器和偏振片、凸透镜、光电探测器这三个元件分别位于偏振分光镜的分光面的左侧和右侧。具体描述如下：

由激光器1、偏振分光镜2、反射镜3、衍射光栅4、偏振片5、凸透镜6和光电探测器7组成的共路激光干涉仪装置。其工作原理是：激光器1发出频率为f、波长为λ的激光束，经过偏振分光镜2后分成p光和s光，分别射向栅距为d的衍射光栅4。在光栅衍射4上发生衍射，形成+1级s光衍射光和+1级p光衍射光。这两束衍射光经过反射镜3反射，再次射向衍射光栅4，经过二次衍射后形成(+1，+1)级s光衍射光和(+1，+1)级p光衍射光。这两束二次衍射光再次经过偏振分光镜2，分别通过和被反射。通过改变偏振片5的偏振化方向，调整p光和s光的二次衍射光在其透光轴上分量。两束光分量满足干涉条件，发生干涉。干涉条纹经凸透镜6进行放大和位置调整后，由光电探测器7进行接收。当衍射光栅4发生左右方向移动时，由于激光多普勒效应引起p光和s光的频移，干涉条纹随之移动。光电探测器7接收到的光强发生周期性变化，将光信号转换为电信号，经过信号处理后测出衍射光栅4的位移量。每当衍射光栅4移动一个栅距距离时，干涉条纹移动四个周期，该光路实现了光学四细分。

该共路激光干涉仪的特征在于激光器1发出的光束经过偏振分光镜分为p光和s光，作为两束差动测量光。两束测量光所经路径完全相同，符合共路原则，使光路具有较强的抗干扰能力。两束差动测量光共路分析图如图2所示。图(a)表示p光路径，图(b)表示s光路径。这样外界干扰因素及基座变形对测量光束和参考光束的影响接近相同，从而减小或消除外界干扰带来的附加误差。

该共路激光干涉仪的特征在于激光器1的激光波长和衍射光栅4的刻线密度决定p光和s光在衍射光栅4上的衍射角，决定反射镜3的位置。因此，光路可以根据需要灵活选择其它波长的激光器和更高密度刻线密度的光栅。

以该干涉仪中的s光第一次衍射光路为例，对激光多普勒技术在本系统中的应用进行分析，激光多普勒频移分析图如图3所示。衍射光栅4在左右方向的移动，使两束测量光频率发生变化，即多普勒频移。根据图3中各矢量的方向，U和K分别代表出射方向和入射方向的单位矢量，V表示光栅移动速度矢量，则多普勒频移为

$\mathrm{\Δf}=\frac{V\·(U-K)}{\mathrm{\λ}}---\left(1\right)$

发生一次衍射后+1级s衍射光的频率为

经过二次衍射后，(+1，+1)级s衍射光的频率为

同理，(+1，+1)级p衍射光的频率为

由光栅衍射方程d(sinα+sin45°)＝λ得，二次衍射后，两束光的多普勒频移差为

光电探测器检测的光强取决于该点两束光的相位差

$\mathrm{\δ}=2\mathrm{\π}\∫\mathrm{\Δfdt}=2\mathrm{\π}\∫\frac{4V}{d}\mathrm{dt}=\frac{8\mathrm{\π}}{d}\mathrm{\Δx}---\left(6\right)$

当光栅移动1个光栅栅距时，相位变化8π，条纹移动4个周期，相当于对位移进行4细分，使分辨力提高为原来的4倍。若条纹计数值为N，则位移计算公式为

$L=N\frac{d}{4}---\left(7\right)$

激光器1发出频率为f、波长为λ的激光束，经过偏振分光镜2后分成p光和s光，分别射向栅距为d的衍射光栅4。在光栅衍射4上发生衍射，形成+1级s光衍射光和+1级p光衍射光。这两束衍射光经过反射镜3反射，再次射向衍射光栅4，经过二次衍射后形成(+1，+1)级s光衍射光和(+1，+1)级p光衍射光。这两束二次衍射光再次经过偏振分光镜2，分别通过和被反射。通过改变偏振片5的偏振化方向，调整p光和s光的二次衍射光在其透光轴上分量。两束光分量满足干涉条件，发生干涉。干涉条纹经凸透镜6进行放大和位置调整后，由光电探测器7进行接收。当衍射光栅4发生左右方向移动时，由于激光多普勒效应引起p光和s光的频移，干涉条纹随之移动。光电探测器7接收到的光强发生周期性变化，将光信号转换为电信号，经过信号处理后测出衍射光栅4的位移量。每当衍射光栅4移动一个栅距距离时，干涉条纹移动四个周期，该光路实现了光学四细分。

如图4所示，共路激光干涉仪的信号处理电路主要包括共路激光干涉仪、放大电路、滤波电路、DSP电路和液晶显示模块。DSP电路是信号处理的核心部分，完成AD转换和数字信号处理功能，并通过液晶显示模块显示位移测量结果。共路激光干涉仪的明暗条纹信号由光电探测器接收，将光信号转换为电流信号，电流大小代表光强的变化。电流信号需要进行电流电压转换，之后，利用放大电路对转换后电压信号进行放大。信号含有很多噪声，加入滤波电路改善信号质量。对信号进行二阶低通滤波处理后，将四路信号送入DSP电路的模数转换模块的四个输入通道。ADC模块对四路信号进行采样和模数转换，然后经过数学算法的处理，计算出长度测量结果，并用液晶显示模块进行显示。

本发明提供一种共路激光干涉仪的组装方法包括步骤：

1)选配元件组装并且配置合适的可调镜架、支撑杆和磁性底座。

2)粗调环节。先目测各元件的高度和角度进行粗调，使各元件中心基本在同一高度。

3)细调环节。根据光学的“同心共轴”原则，对每个元件进行细致调节。

激光器1的调节。以带刻线的毛玻璃片作为基准，通过调节激光器支架的俯仰角度，使光束打在毛玻璃片的刻线上。不断改变毛玻璃片与激光器1的距离，使光束始终打在毛玻璃片的刻线上。此时，激光器光束处于水平方向。

反射镜3的调节。激光光束射向反射镜发生反射，反射光返回激光器光孔的边缘上。观察反射光束的光斑中心是否与激光器光孔中心同高。当改变反射镜3与激光器1的距离时，出现同样现象，则表示反射镜的调节完成。

衍射光栅4的调节。激光光束射在衍射光栅4上发生衍射，转动光栅使任一级衍射光打在激光器光孔边缘。高度调节方法与反射镜3的调节相同。

偏振分光镜2的调节。偏振分光镜2的四个面均在光路中用到，需将每个面反复调节，方法与反射镜3的调节相同，直到每个面反射光光斑中心与激光器光孔中心等高为止。

4)元件的放置。严格按照光路图中各元件的位置要求，依照光束所经元件的次序，仔细调整激光器1、偏振分光镜2、衍射光栅4和反射镜3的位置和角度，使两束光第二次经过偏振分光镜2后汇聚在一起。从约5米处距离观察两个光斑是否重合。如果基本重合，则可放置偏振片5和凸透镜6。

5)偏振片5的调节。调整偏振片5的偏振化方向，p光和s光的二次衍射光在偏振片5透光轴上投影分量由于满足干涉条件而发生干涉。缓慢旋转偏振片5，可改变两光束透过的光强，将干涉条纹的可见度调至最佳状态。

6)凸透镜6的调节。由于条纹极为密集，近距离内肉眼难以分辨，不适于放置光电探测器7。调整凸透镜6的位置，使光电探测器7恰好接收一个条纹宽度信号。至此，光路调节完毕，可用于位移测量。

应用实施例：

测量实验在光学实验室进行，远离外界振源减小振动干扰，室内温度为20℃，光线和压强等条件稳定。整个系统搭建在由上海光炬光学仪器厂生产的GJ-I型光学减振平台上。实验使用的衍射光栅是由中科院国家光栅制造与应用工程技术研究中心加工的H11型平面全息衍射光栅，刻线密度为1800条/mm。激光器是西安华科公司的DD532-5-5型半导体激光器，波长为532nm，功率为5mV内可调，供电电压为+5V，光束发散角为0.5mrad，工作距离为50mm。由于位移测量过程与入射光的波长无关，激光波长的微小变化不会影响测量的灵敏度和分辨力，无需特殊稳频装置。其他光学器件均选自北京大恒光电公司。信号处理系统的DSP芯片选用TI公司的TMS320F2812作为系统的CPU。DSP主控系统电路是信号处理的核心部分，利用软件程序完成AD转换和数字信号处理功能，显示位移测量结果。液晶显示模块选用成都飞宇达公司的FYD12864-0402B。信号细分分为三个阶段。第一阶段，光衍射细分。在干涉仪原理中已经介绍。第二阶段，八细分。在光电检测电路中，一个条纹宽度内均匀放置4个探测器分别接收四路信号。经过信号调理电路和AD转换后，在F2812DSP中，利用八细分算法对输入信号进行处理，将信号进行辨向、整数计数和八细分。第三阶段，查表细分。在八细分之后，构建新函数对正余弦信号进行二次细分，从而实现更高的精度和分辨力。

经过大量反复实验，确定出系统的最大运行速度为0.56mm/s，量程为0.01mm。根据大量实验分析确定最大有效细分倍数为本系统的细分倍数，即A_max≈24。因此，位移有效分辨力为：

$l_{\mathrm{resolution}}=\frac{d}{8\×A_{\max }}=0.72\mathrm{nm}$

该测量系统的各项误差引起的标准不确定度主要为如下几个方面：

1、激光光强变化引起的标准不确定度分量为：

u₁＝0.441nm

2、模数转换模块电压变化引起的标准不确定度为：

u₂＝1.541nm

3、查表细分误差引起的标准不确定度为：

u₃＝0.194nm

4、光栅刻线密度误差引起的标准不确定度为：

u₄＝0.290nm

因此，在最大量程内位移测量结果的合成标准不确定度为：

$u=\sqrt{{\left(\frac{\∂l}{\∂N}\right)}^2{u}_1^2+{\left(\frac{\∂l}{\∂N}\right)}^2{u}_2^2+{\left(\frac{\∂l}{\∂N}\right)}^2{u}_3^2+{\left(\frac{\∂l}{\∂d}\right)}^2{u}_4^2}=5.2\mathrm{nm}.$

通过对激光器光强测试实验、条纹稳定性测试实验、电压重复性实验、计数准确性实验及系统性能测试实验等大量实验的测量数据进行研究和分析，实验结果表明，共路激光干涉仪由于独特的共路结构，具有良好的抗干扰能力，不易受到温度波动，气压变化和外界振动等影响，同时，该干涉仪光路可实现光学四细分。根据该共路激光干涉仪原理，光路可以根据实际需要选择其它波长的激光器和更高密度刻线密度的光栅。可通过选用合适器件参数，改变该干涉仪的一个周期条纹信号所代表的位移大小，以提高测量分辨力。利用此共路激光干涉仪搭建的位移测量系统，能够实现亚纳米级位移测量，提高测量分辨力和精度。如果对实验条件和信号处理电路性能进行改进，可继续提高有效细分倍数，从而进一步提高位移测量精度。总之，该共路激光干涉仪是有效可行的。

Claims (2)

1.一种共路激光干涉仪，包括激光器、偏振分光镜、反射镜、衍射光栅、偏振片、凸透镜和光电探测器，其特征在于在激光器发出光束方向上放置偏振分光镜，偏振分光镜的分光面与激光器发出光束方向成45°；在偏振分光镜的分光面方向上的上侧和下侧分别放置反射镜和衍射光栅；在出射光的方向上依次放置偏振片、凸透镜和光电探测器，这三个元件的光轴方向与偏振分光镜的分光面成45°，与激光器发出光束方向成90°；

所述的反射镜的镜面和衍射光栅的平面均与偏振分光镜的分光面相互垂直；所述的激光器和偏振片、凸透镜、光电探测器这三个元件分别位于偏振分光镜的分光面的左侧和右侧。

2.按照权利要求1所述的共路激光干涉仪，其特征在于它用于位移测量。

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