CN103075969A - 差动式激光干涉纳米位移测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差动式激光干涉纳米位移测量方法及装置。双频激光器输出波长分别为

和的正交线偏振光，射向由两个分光镜、两个偏振分光镜、两个角锥棱镜和压电陶瓷驱动器构成的差动式激光干涉仪，分别形成各自的干涉信号，由三个光电探测器接收。测量前，通过压电陶瓷驱动器调制参考角锥棱镜在1μm行程内往返运动，测得

和

的干涉信号的相位差为

；然后参考角锥棱镜静止，测量角锥棱镜移动一被测位移，

的整数干涉条纹变化数

由双向计数模块测得，再次调制参考角锥棱镜测得此时

和

的干涉信号的相位差为

，由

得到

的小数干涉条纹变化数；计算机根据测得的

干涉条纹的整数

和小数，计算得出被测位移

。本发明适用于纳米级精度的位移测量技术领域。

Description

差动式激光干涉纳米位移测量方法及装置

技术领域

本发明涉及纳米位移测量方法及装置，尤其是涉及一种差动式激光干涉纳米位移测量方法及装置。

背景技术

超精密加工、微电子制造以及精密测试计量等技术领域都需要毫米级量程范围内达到纳米级测量精度的位移测量仪器。

纵观国内外纳米位移测量方法，可以分为两大类：一类是非光学测量方法：扫描隧道显微镜、原子力显微镜和电容测微仪等；另一类是光学测量方法：迈克尔逊干涉仪、外差干涉仪、X射线干涉仪等。以扫描隧道显微镜为代表的非光学测量方法的测量分辨率虽然可以达到亚纳米级，但是测量范围仅为微米量程，而且存在米溯源问题。X射线干涉仪也仅是微米级测量范围和纳米级测量分辨率。迈克尔逊干涉仪和外差干涉仪虽然可以实现大范围位移测量，但是迈克尔逊干涉仪中存在对干涉条纹细分的正弦误差、直流漂移误差和干涉信号非正交误差，而外差干涉仪中存在偏振光非正交、椭偏化等偏振态误差引起的一阶非线性误差，因此这两类干涉仪的测量精度和分辨率的进一步提高受到了限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种差动式激光干涉的纳米位移测量方法及装置，采用单频干涉的原理，实现波长λ₂的干涉条纹整数计数，采用差动干涉原理，以波长λ₁的干涉信号作为参考，将波长λ₂的干涉条纹小数部分的测量转化为对波长λ₁和λ₂的干涉信号相位差的测量，从而实现大范围和高精度的位移测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种差动式激光干涉纳米位移测量方法：

（1）双频激光器输出波长为λ₁和λ₂的正交线偏振光，射向由两个分光镜、两个偏振分光镜、一个参考角锥棱镜、压电陶瓷驱动器和一个测量角锥棱镜构成的差动式激光干涉仪，分别形成各自的干涉信号，由三个探测器接收，参考角锥棱镜固定在压电陶瓷驱动器上；

（2）开始测量位移之前，通过压电陶瓷驱动器调制参考角锥棱镜在1μm行程内往返运动，测出此时波长λ₁和λ₂干涉信号的相位差为

压电陶瓷驱动器停止调制；

（3）然后测量光路中的测量角锥棱镜移动一被测位移Δl，由双向计数模块测得波长λ₂的整数干涉条纹变化数N，接着再次调制参考角锥棱镜在1μm行程内往返运动，测得此时波长λ₁和λ₂干涉信号的相位差为

则波长λ₂的小数干涉条纹变化数ε为：

（4）由测得的波长λ₂的整数干涉条纹变化数N和小数干涉条纹变化数ε，得到测量角锥棱镜移动的被测位移Δl为：

$\mathrm{\Δl}=(N+\mathrm{\ϵ})\×\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{2}.$

二、一种差动式激光干涉纳米位移测量装置：

本发明包括双频激光器，第一分光镜，参考角锥棱镜，压电陶瓷驱动器，第一偏振分光镜，测量角锥棱镜，第二偏振分光镜，第二分光镜，第一探测器，第二探测器和第三探测器；双频激光器输出波长为λ₁和λ₂的正交线偏振光射向由第一分光镜、参考角锥棱镜、压电陶瓷驱动器、第一偏振分光镜、第二角锥棱镜和第二偏振分光镜组成的差动式激光干涉仪，形成各自的干涉信号，经第二偏振分光镜和第二分光镜分光后，分别由第一探测器、第二探测器和第三探测器接收，参考角锥棱镜固定在压电陶瓷驱动器上。

本发明具有的有益效果是：

（1）差动式激光干涉纳米位移测量方法及装置中包含两套独立的单频干涉仪，构成了一个差动式激光干涉仪，即使在测量角锥棱镜静止不动时，通过调制参考角锥棱镜，可将两套单频干涉仪的直流干涉信号转变为交流干涉信号，克服了单频干涉仪中由于直流漂移引入的误差。

（2）测量角锥棱镜运动时，波长λ₂的整数干涉条纹变化数的测量采用单频干涉的方法，具有非线性误差为二阶小量的优点，波长λ₂的小数干涉条纹变化数的测量，则是以波长λ₁的干涉信号作为参考信号，通过测量波长λ₁和λ₂的干涉信号相位差来实现，从而避免了对λ₂干涉信号的细分带来的正弦误差或者非正交误差，具有纳米级测量精度。

（3）两套单频干涉仪采用共光路结构，有利于消除环境因素的影响。

（4）光路结构简单，使用方便。

本发明主要适用于超精密加工技术、微光机电系统、集成电路芯片制造技术以及精密测试技术计量等领域所涉及的纳米级精度的位移测量等。

附图说明

图1是差动式激光干涉纳米位移测量原理图。

图2是测量角锥棱镜移动前后波长λ₁和λ₂的干涉信号的相位差变化示意图。

图中：1、双频激光器，2、第一分光镜，3、参考角锥棱镜，4、压电陶瓷驱动器，5、第一偏振分光镜，6、测量角锥棱镜，7、第二偏振分光镜，8、第二分光镜，9、第一探测器，10、第二探测器，11、第三探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明加以详细说明。

本发明的实施例中激光光源为双纵模He-Ne稳频激光器，输出激光波长为λ₁＝632.990577nm、λ₂＝632.992027nm的正交线偏振光，λ₁和λ₂的频差为1070MHz。

如图1所示，本发明包括双频激光器1，第一分光镜2，参考角锥棱镜3，压电陶瓷驱动器4，第一偏振分光镜5，测量角锥棱镜6，第二偏振分光镜7，第二分光镜8，第一探测器9，第二探测器10和第三探测器11；双频激光器1输出波长为λ₁和λ₂的正交线偏振光射向由第一分光镜2、参考角锥棱镜3、压电陶瓷驱动器4、第一偏振分光镜5和测量角锥棱镜6组成的差动式激光干涉仪，分别形成各自的干涉信号，波长λ₁的干涉信号经第二偏振分光镜7反射后由第一探测器9接收，波长λ₂的干涉信号经第二偏振分光镜7透射后，再经第二分光镜8反射和透射后，由第二探测器10和第三探测器11接收，参考角锥棱镜3固定在压电陶瓷驱动器4上。

差动式激光干涉纳米位移测量的具体实施步骤是：

（1）测量开始前，通过压电陶瓷驱动器4调制干涉仪的参考角锥棱镜3在1μm行程内往返运动，此时第一探测器9测得的波长λ₁的干涉信号和第二探测器10测得的波长λ₂的干涉信号送入相位差测量模块（安捷伦53220A型通用频率计数器），测得波长λ₁和λ₂的干涉信号的相位差为

（2）压电陶瓷驱动器4停止调制，测量角锥棱镜6移动一被测位移Δl，通过机械移相的方式，使第二探测器10和第三探测器11检测到的波长λ₂的干涉信号相位差为90°，将这两路信号送入双向计数模块（惠普HCTL-2020型辩向计数电路芯片），测得波长λ₂的整数干涉条纹变化数N；

（3）再次调制干涉仪的参考角锥棱镜3在1μm行程内往返运，测得此时两路干涉信号的相位差变为

两路干涉信号的这种相位差变化，如图2所示，V(λ₁)表示波长λ₁的干涉信号波形，V(λ₂)表示测量角锥棱镜6移动前波长λ₂的干涉信号波形，V(λ′₂)表示测量角锥棱镜6移动后波长λ₂的干涉信号波形；

（4）以波长λ₁的干涉信号为参考，根据测量角锥棱镜6移动前后两路干涉信号的相位差

和

得出波长λ₂的小数干涉条纹变化数ε为：

（5）计算机（惠普HP Pro4500型）根据测得的波长λ₂的整数干涉条纹变化数N和小数干涉条纹变化数ε，计算得出测量角锥棱镜的被测位移Δl为：

$\mathrm{\Δl}=(N+\mathrm{\ϵ})\×\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{2}---\left(2\right)$

代入典型值：当波长λ₂＝632.992027nm，相位差测量精度为0.1°时，本发明实现的位移测量精度为0.088nm。

至此完成本发明。

Claims (2)

1.一种差动式激光干涉纳米位移测量方法，其特征在于：

（1）双频激光器输出波长为λ₁和λ₂的正交线偏振光，射向由两个分光镜、两个偏振分光镜、一个参考角锥棱镜、压电陶瓷驱动器和一个测量角锥棱镜构成的差动式激光干涉仪，分别形成各自的干涉信号，由三个探测器接收，参考角锥棱镜固定在压电陶瓷驱动器上；

（2）开始测量位移之前，通过压电陶瓷驱动器调制参考角锥棱镜在1μm行程内往返运动，测出此时波长λ₁和λ₂干涉信号的相位差为

，压电陶瓷驱动器停止调制；

（3）然后测量光路中的测量角锥棱镜移动一被测位移Δl，由双向计数模块测得波长λ₂的整数干涉条纹变化数N，接着再次调制参考角锥棱镜在1μm行程内往返运动，测得此时波长λ₁和λ₂干涉信号的相位差为

则波长λ₂的小数干涉条纹变化数ε为：

（4）由测得的波长λ₂的整数干涉条纹变化数N和小数干涉条纹变化数ε，得到测量角锥棱镜移动的被测位移Δl为：

$\mathrm{\Δl}=(N+\mathrm{\ϵ})\×\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{2}.$

2.根据权利要求1所述方法的一种差动式激光干涉纳米位移测量装置，其特征在于：包括双频激光器(1)，第一分光镜(2)，参考角锥棱镜(3)，压电陶瓷驱动器(4)，第一偏振分光镜(5)，测量角锥棱镜(6)，第二偏振分光镜(7)，第二分光镜(8)，第一探测器(9)，第二探测器(10)和第三探测器(11)；双频激光器(1)输出波长为λ₁和λ₂的正交线偏振光射向由第一分光镜(2)、参考角锥棱镜(3)、压电陶瓷驱动器(4)、第一偏振分光镜(5)、第二角锥棱镜(6)和第二偏振分光镜(7)组成的差动式激光干涉仪，形成各自的干涉信号，经第二偏振分光镜(7)和第二分光镜(8)分光后，分别由第一探测器(9)、第二探测器(10)和第三探测器(11)接收，参考角锥棱镜(3)固定在压电陶瓷驱动器(4)上。

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