CN102564613A - 一种波长跟踪器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种波长跟踪器，包括：一单轴干涉仪，实时检测波长变化；一标准腔，由相距一定距离的反射镜组成，为测试光线提供一光程；以及一底板，所述单轴干涉仪及所述标准腔固定于底板上形成一个整体；所述底板热膨胀系数接近于零，以保证所述底板上的所有光学元件的相对几何距离稳定。本发明提供的波长跟踪器，可同时对空气折射率变化和激光器本身参数变化引起的波长变化进行跟踪测量，同时还具有结构简单、装调难度低、测量分辨率高等优点。

Description

一种波长跟踪器

技术领域

本发明涉及干涉测量领域，具体涉及一种用于波长跟踪测量的波长跟踪器。

背景技术

本发明所涉及的波长跟踪器，主要用于双频激光干涉测量领域，比如超精密位移测量、光学元件与光学膜厚测量等领域。在双频激光干涉测量领域，波长是计量的基准，但波长会随空气折射率或激光器本身参数变化而变化，因此会导致测量误差。本发明的波长跟踪器对空气中的波长进行实时跟踪测量，以便对波长变化所引起的测量误差进行补偿。

图1是现有技术中一种波长跟踪器原理图。它由一个差分干涉仪和一个标准腔组成，其中标准腔由前反射镜(Front Mirror)和后反射镜(Rear Mirror)组成。差分干涉仪的参考光fA入射至标准腔的前反射镜，而测量光fB入射至标准腔的后反射镜，通过差分干涉仪监控参考光和测量光的光程之差，获得标准腔的长度变化。而标准腔的长度变化可归根于空气折射率变化导致的，因此通过监控标准腔的长度变化即可获得空气折射率的变化，进而折算出空气中的波长变化。为了提高测量分辨率，该波长跟踪器采用了结构较为复杂的差分干涉仪，由图中可看出，其光路结构比较复杂，各个光学器件之间的装调难度很大。

图2是现有技术中另一种波长补偿器的原理图，它由一个差分干涉仪和一个真空腔组成。其真空腔由一个增透镜和一个反射镜组成，两个镜子用殷钢连接，中间抽成真空。差分干涉仪的参考光穿过增透镜并经过真空腔入射至反射镜上；测量光穿过增透镜并经过空气入射至反射镜上。差分干涉仪通过对比参考光和测量光的光程变化，可以折算成空气中的波长变化。该方案也要采用结构较为复杂的差分干涉仪，装调比较麻烦。另外，参考光路需要抽成真空，其真空度难免会随时间变化而变差，因此其测量精度也会随时间变化而变差。

众所周知，空气中的波长主要受空气折射率和激光器本身的影响。上述波长跟踪器只能监测到空气折射率变化导致的波长变化，对激光器本身导致的波长变化却无法监测。

在双频激光干涉测量系统中，波长(频率)作为基准，对测量精度有重要影响。空气中波长为：

其中λ₀为真空名义波长，n为空气折射率。

空气中的波长变化主要有两部分：1.激光器本身参数变化导致输出的名义波长λ₀不稳定；2.受环境影响，空气折射率n变化，导致空气中的波长变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种波长跟踪器，对上述两方面因素导致的的波长变化进行实时测量，反馈给激光计数卡，以便进行实时补偿。

本发明的目的是这样实现的。一种波长跟踪器，包括：

一单轴干涉仪，实时检测波长变化；

一标准腔，由相距一定距离的反射镜组成，为测试光线提供一光程；以及

一底板，所述单轴干涉仪及所述标准腔固定于底板上形成一个整体。

其中，所述底板热膨胀系数接近于零，以保证所述底板上的所有光学元件的相对几何距离稳定。

优选地，所述底板材料为微晶玻璃。

其中，所述单轴干涉仪由偏振分光棱镜、镀高反膜的四分之一波片、四分之一波片以及角锥棱镜组成，所述镀高反膜的四分之一波片和所述四分之一波片离偏振分光棱镜中心的距离相等。

其中，波长测量分辨率由干涉仪的分辨率(细分数)和标准腔长决定：

$\frac{\mathrm{d\λ}}{\mathrm{\λ}}=\frac{\mathrm{dL}}{L}=\frac{\mathrm{\λ}}{M\·L}$

其中，L——标准腔的初始长度；λ——初始时刻的波长；M——干涉测量系统的细分数。

本发明提供的波长跟踪器，可同时对空气折射率变化和激光器本身参数变化引起的波长变化进行跟踪测量，同时还具有结构简单、装调难度低、测量分辨率高等优点。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1所示为现有技术中一波长跟踪器原理图；

图2所示为现有技术中另一波长跟踪器原理图；

图3所示为本发明波长跟踪器原理图；

图4所示为本发明波长跟踪器的一种简化结构。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

本发明的基本原理为：假设干涉仪和被测反射镜之间的几何长度为L，由干涉仪测出来的L可表示为：

$L=N\·\frac{\mathrm{\λ}}{M}---\left(1\right)$

其中，L——标准腔的初始长度；

λ——初始时刻的波长；

M——干涉测量系统的细分数；

N——波长个数；

当波长λ变化时，干涉仪的读数L会发生变化。因此通过监测干涉仪和被测反射镜之间的光程变化，可推算出空气折射率变化。

如图3所示，本发明波长跟踪器由一单轴干涉仪以及一标准腔组成。其中偏振分光棱镜1、镀高反膜的四分之一波片2、四分之一波片3以及角锥棱镜8组成单轴干涉仪；反射镜5、反射镜6以及测量镜7组成标准腔。单轴干涉仪和标准腔放置在高稳定底板4上，形成一个整体。高稳定底板4采用热膨胀系数接近零的微晶玻璃，各部件均粘结在高稳定底板上，各个部件之间相对的几何位置是非常稳定的，不受环境影响而变化。

来自双频激光器的双频激光束，经过偏振分光棱镜1之后，S偏振光被反射至镀高反膜的四分之一波片2，形成参考光束，P偏振光被透射至四分之一波片3，形成测量光束。测量光依次经过反射镜5、反射镜6以及测量镜7，最终返回干涉仪，送往接收器。

由于高稳定底板4的热膨胀系数接近于零，各部件的相对几何距离很稳定，因此干涉仪测出的光程变化可认为是波长变化导致的，根据干涉仪的读数变化可计算出波长的变化，无论这个波长变化是由空气折射率变化导致的还是激光器本身参数变化导致的。

四分之一波片3、反射镜5、反射镜6和测量镜7之间的长度，可定义为标准腔长。初始时刻，标准腔长可用波长表示为：

$L_0=N\·\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{M}---\left(2\right)$

其中，L₀——标准腔的初始长度；

λ₀——初始时刻的波长；

M——干涉测量系统的细分数；

N——波长个数；

当波长发生变化时，标准腔长可表示为：

$L_1=N\·\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{M}---\left(3\right)$

两个时刻的标准腔的长度之差即为干涉仪所测量的数值：

$\mathrm{\ΔL}=\frac{N}{M}({\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_0)=\frac{N}{M}\mathrm{\Δ\λ}---\left(4\right)$

其中N可表示为：

$N=\frac{M\·L}{\mathrm{\λ}}---\left(5\right)$

因此可得波长变化值为：

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{\mathrm{\λ}}{L}\mathrm{\ΔL}---\left(6\right)$

本发明的波长测量分辨率主要由干涉仪的分辨率(细分数)和标准腔长决定：

$\frac{\mathrm{d\λ}}{\mathrm{\λ}}=\frac{\mathrm{dL}}{L}=\frac{\mathrm{\λ}}{M\·L}---\left(7\right)$

在本发明的一个具体实施例中，四分之一波片3、反射镜5、反射镜6和测量镜7之间的长度为标准腔长L＝500mm。所使用的光源波长为633nm，单轴干涉仪为4倍光学细分，处理电路为512细分，因此根据公式(6)可算出测量分辨率为：

$\frac{\mathrm{d\λ}}{\mathrm{\λ}}=\frac{\mathrm{\λ}}{M\·L}=\frac{633\×{10}^{-9}}{4\×512\×500\×{10}^{-3}}=0.62\mathrm{ppb}$

增加反射镜5和反射镜6是为了在有限的空间内增加标准腔长L，进而提高测量分辨率。如果牺牲测量分辨率或牺牲总体体积，也可略去反射镜5和反射镜6，形成如图4所示的结构，这不违反本专利的精神，也在本专利保护范围之内。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (4)

1.一种波长跟踪器，其特征在于包括：

一单轴干涉仪，实时检测波长变化；

一标准腔，由相距一定距离的反射镜组成，为测试光线提供一光程；以及

一底板，所述单轴干涉仪及所述标准腔固定于底板上形成一个整体；

其中，所述底板热膨胀系数接近于零，以保证所述底板上的所有光学元件的相对几何距离稳定。

2.如权利要求1所述的波长跟踪器，其特征在于所述底板材料为微晶玻璃。

3.如权利要求1所述的波长跟踪器，其特征在于所述单轴干涉仪由偏振分光棱镜、镀高反膜的四分之一波片、四分之一波片以及角锥棱镜组成，所述镀高反膜的四分之一波片和所述四分之一波片离偏振分光棱镜中心的距离相等。

4.如权利要求1所述的波长跟踪器，其特征在于波长测量分辨率由干涉仪的分辨率(细分数)和标准腔长决定：

$\frac{\mathrm{d\λ}}{\mathrm{\λ}}=\frac{\mathrm{dL}}{L}=\frac{\mathrm{\λ}}{M\·L}$

其中，L——标准腔的初始长度；λ——初始时刻的波长；M——干涉测量系统的细分数。

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