CN104729402B - 基于平面镜的高光学细分光栅干涉仪 - Google Patents

Abstract

一种基于平面镜的高光学细分光栅干涉仪，包括双频正交线偏振激光光源、偏振分束器、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片、标尺光栅，数据采集和处理及控制单元，由非偏振分束器、处于正交双频线偏振光45度放置的第一检偏器及对应的第一探测器、处于正交双频线偏振光45度放置的第二检偏器及对应的第二探测器构成的双频外差干涉光电探测单元。本发明将标尺光栅设计成高密度‑1级次高衍射效率反射式光栅，进而结合平面反射镜使测量光束被标尺光栅多次衍射，从而获得高光学细分倍数，这在提高光栅干涉仪分辨率以及精确度的领域具有重要的应用价值。

Description

基于平面镜的高光学细分光栅干涉仪

技术领域

本发明属于高精密位移测量装置,特别是一种基于平面镜的高光学细分光栅干涉仪。

背景技术

对微纳米精密位移测量的仪器目前主要包括两种：激光干涉仪和光栅干涉仪。激光干涉仪以波长为基准，能得到很高的分辨率，但由于波长容易受到环境、光源等因素的影响，其应用受到了限制。而光栅干涉仪则刚好弥补了激光干涉仪的缺点，其以光栅周期作为基准，测量结果基本不受环境和波长的影响，已广泛应用于加工机床、机器人、生物医疗等领域。

无论是激光干涉仪还是光栅干涉仪，其分辨率大小都取决于光学细分倍数和电子细分倍数。由于电子细分受限于光学细分信号，在电子细分相同的情况下，光学细分倍数越高，其测量分辨率越高。目前典型的光栅干涉仪系统，如海德汉公司的专利US5574558，日本佳能公司的专利US5038032，美国IBM公司的专利US5442172等，其光学细分倍数并不高，一般为2或4倍。所以提高光学细分倍数有着重要的意义。本发明在光栅效率足够高的情况下理论上能无限地提高光学细分倍数，解决了目前光栅干涉仪细分倍数低的问题。

发明内容

本发明针对目前光栅干涉仪光学细分倍数低的问题，提出了一种基于平面镜的高光学细分光栅干涉仪，将高密度标尺光栅设计成负一级高衍射效率，进而采用平反射镜实现测量光束多次打到标尺光栅上，使测量光束多次被标尺光栅衍射，从而获得很高的光学细分倍数。

本发明的技术解决方案：

一种基于平面镜的高光学细分光栅干涉仪，其特点在于，包括：双频正交线偏振激光光源、偏振分束器、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片、标尺光栅，数据采集和处理及控制单元，由非偏振分束器、处于正交双频线偏振光45度放置的第一检偏器及对应的第一探测器、处于正交双频线偏振光45度放置的第二检偏器及对应的第二探测器构成的双频外差干涉光电探测单元，所述的第一探测器和第二探测器的输出端分别与所述的数据采集和处理及控制单元相连。所述的双频正交线偏振激光光源发出正交双频偏振光束经所述的非偏振分束器分为两束，一束射入所述的第一检偏器形成干涉信号，由所述的第一探测器接收后作为双频外差干涉术的参考信号传输至数据采集和处理及控制单元，另一束经所述的偏振分束器分为透射的P光和反射的S光。由偏振分束器出来的所述的P光经所述的第一四分之一波片变为右旋圆偏光、经第一反射镜入射到所述的高密度标尺光栅，经标尺光栅衍射的-1级次衍射光打到所述的第三反射镜，经第三反射镜反射再次入射到所述的高密度标尺光栅，依此右旋圆偏光在所述的标尺光栅和所述的第三反射镜之间来回反射，并最终垂直入射到所述的第三反射镜上，右旋圆偏光沿原光路返回经第一反射镜，经第一四分之一波片变为S光。由偏振分束器出来的所述的S光经所述的第二四分之一波片变为左旋圆偏光、经第二反射镜入射到所述的高密度标尺光栅，经标尺光栅衍射的-1级次衍射光打到所述的第四反射镜，经第四反射镜反射再次入射到所述的高密度标尺光栅，依此左旋圆偏光在所述的标尺光栅和所述的第四反射镜之间来回反射，并最终垂直入射到所述的第四反射镜上，右旋圆偏光沿原光路返回经第二反射镜，经第二四分之一波片变为P光。原路返回的P光和原路返回的S光经偏振分光镜后合并为同一光路入射到所述的第二检偏器形成干涉信号，由所述的第二探测器接收后作为双频外差干涉术的测量信号传输至数据采集和处理及控制单元。通过分析参考信号和测量信号即可获得标尺光栅的位移。

与现有技术相比，本发明的技术效果：

本发明将标尺光栅设计成-1级高衍射效率，进而采用平面反射镜使得测量光束在标尺光栅和反射镜之间多次反射衍射，从而达到高光学细分的效果。由光栅多普勒频移效应可知，入射光束在标尺光栅上经过N次-1级次衍射，则对两束光分别产生正负N倍光栅多普勒频移，进而实现2N倍光学细分。若N＝10，则可实现20倍的光学细分。

附图说明

图1是基于平面镜的高光学细分光栅干涉仪的示意图

图2是高光学细分部件的示意图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，双频正交线偏振激光光源8发出正交双频偏振光束经非偏振分束器10分为两束，一束射入第一检偏器11形成干涉信号，由第一探测器12接收后作为双频外差干涉术的参考信号传输至数据采集和处理及控制单元15，另一束经偏振分束器9分为透射的P光和反射的S光。由偏振分束器9出来的所述的P光经第一四分之一波片6变为右旋圆偏光，经第一反射镜2入射到高密度标尺光栅1，经标尺光栅1衍射的-1级次衍射光打到第三反射镜4，经第三反射镜反射再次入射到高密度标尺光栅1，依此右旋圆偏光在标尺光栅1和第三反射镜4之间来回反射，并最终垂直入射到第三反射镜4上，右旋圆偏光沿原光路返回经第一反射镜2，经第一四分之一波片6变为S光。由偏振分束器9出来的所述的S光经第二四分之一波片7变为左旋圆偏光，经第二反射镜3入射到高密度标尺光栅1，经标尺光栅1衍射的-1级次衍射光打到第四反射镜5，经第四反射镜5反射再次入射到高密度标尺光栅1，依此左旋圆偏光在标尺光栅1和第四反射镜5之间来回反射，并最终垂直入射到第四反射镜5上，右旋圆偏光沿原光路返回经第二反射镜3，经第二四分之一波片变7为P光。原路返回的P光透过偏振分光镜和原路返回的S光经偏振分光镜9反射重合在同一光路上，共同经入射到第二检偏器14形成干涉信号，由第二探测器13接收后作为双频外差干涉术的测量信号传输至数据采集和处理及控制单元15。通过分析参考信号和测量信号即可获得标尺光栅1的位移。

第一平面反射镜2反射面与标尺光栅1的夹角为

其中θ_N为右旋圆偏振光光束首次入射到标尺光栅的角度。N表示右旋圆偏振光会被标尺光栅衍射2N次。

第二平面反射镜3反射面与标尺光栅1的夹角为

其中θ_M为左旋圆偏振光光束首次入射到标尺光栅的角度。M表示左旋圆偏振光会被标尺光栅衍射2N次。N和M可以相等也可以不相等。

第三平面反射镜4反射面与标尺光栅的夹角为α，可依照以下方法确定。设初始测量光束入射到标尺光栅1的角度为θ，在整个过程中测量光束会被标尺光栅1衍射2N次，则从第1次衍射至第N次衍射，入射角依次为θ_N,θ_N-1,θ_N-2,…,θ₂,θ₁，衍射角依次为β_N,β_N-1,β_N-2,…,β₂,β₁。之后第N+1次衍射至第2N次衍射，入射角为θ₁,θ₂,…,θ_N-2,θ_N-1,θ_N,衍射角依次为β₁,β₂,…,β_N-2,β_N-1,βN。

入射角和衍射角之间满足一下光栅方程，

sin(θ_k)+sin(β_k)＝λ/d (1)

式中λ为激光波长，d为光栅周期，k＝1,2,…,N。且存在以下关系，

θ_k+β_k+1＝2α (2)

第三反射镜4与标尺光栅1的夹角α满足以下关系，

α＝β₁ (3)

通过方程(1)、(2)和(3)即可以确定全部角度，即确定反射镜的安装角度。

第四反射镜5的放置情况与第三反射镜4的放置情况类似，特别地，第四反射镜5与第三反射镜4关于偏振分束器9对称放置，左旋圆偏振光与右旋圆偏振光被标尺光栅衍射的次数一样。第四反射镜也可以和第三反射镜不对称放置，此时，计算方法和第三反射镜一样，通过方程(1)、(2)和(3)确定放置角度。

实施例中光栅周期d为561.8nm，激光波长为632.8nm，N为3时入射角依次为θ₁＝28.9206°，θ₂＝20.3874°，θ₃＝15.2932°，衍射角依次为β₁＝40.0000°，β₂＝51.0794°，β₃＝59.6126°。第三反射镜的反射面与标尺光栅的夹角为40.0000°，第四反射镜与第三反射镜对称放置。

Claims (3)

1.一种基于平面镜的高光学细分光栅干涉仪，其特征在于，包括：双频正交线偏振激光光源(8)、偏振分束器(9)、第一反射镜(2)、第二反射镜(3)、第三反射镜(4)、第四反射镜(5)、第一四分之一波片(6)、第二四分之一波片(7)、标尺光栅(1)、数据采集和处理及控制单元(15)，由非偏振分束器(10)、处于正交双频线偏振光45度放置的第一检偏器(11)及对应的第一探测器(12)、处于正交双频线偏振光45度放置的第二检偏器(14)及对应的第二探测器(13)构成的双频外差干涉光电探测单元，所述的第一探测器(12)和第二探测器(13)的输出端分别与所述的数据采集和处理及控制单元(15)相连；所述的双频正交线偏振激光光源(8)发出正交双频偏振光束经所述的非偏振分束器(10)分为两束，一束射入所述的第一检偏器(11)形成干涉信号，由所述的第一探测器(12)接收后作为双频外差干涉术的参考信号传输至数据采集和处理及控制单元(15)，另一束经所述的偏振分束器(9)分为透射的P光和反射的S光；由偏振分束器(9)出来的所述的P光经所述的第一四分之一波片(6)变为右旋圆偏光后经第一反射镜(2)入射到所述的标尺光栅(1)，经标尺光栅(1)衍射的-1级次衍射光入射到所述的第三反射镜(4)，经第三反射镜(4)反射后再次入射到所述的标尺光栅(1)，依此右旋圆偏光在所述的标尺光栅(1)和所述的第三反射镜(4)之间来回反射，并最终垂直入射到所述的第三反射镜(4)上，右旋圆偏光沿原光路返回经第一反射镜(2)，经第一四分之一波片(6)变为S光；由偏振分束器(9)出来的所述的S光经所述的第二四分之一波片(7)变为左旋圆偏光、经第二反射镜(3)入射到所述的标尺光栅(1)，经标尺光栅(1)衍射的-1级次衍射光入射到所述的第四反射镜(5)，经该第四反射镜(5)反射后再次入射到所述的标尺光栅(1)，依此左旋圆偏光在所述的标尺光栅(1)和所述的第四反射镜(5)之间来回反射，并最终垂直入射到所述的第四反射镜(5)上，右旋圆偏光沿原光路返回经第二反射镜(3)，经第二四分之一波片(7)变为P光；原路返回的P光和原路返回的S光经所述的偏振分光镜(9)后，合并为一路入射到所述的第二检偏器(14)形成干涉信号，由所述的第二探测器(13)接收后作为双频外差干涉术的测量信号传输至数据采集和处理及控制单元(15)。

2.根据权利要求1所述的基于平面镜的高光学细分光栅干涉仪，其特征在于，所述的第一反射镜(2)的反射面与标尺光栅(1)的夹角为

$\mathrm{\η}=\frac{3\mathrm{\π}}{8}+\frac{{\mathrm{\θ}}_N}{2}$

其中θ_N为右旋圆偏振光光束首次入射到标尺光栅的角度，N表示右旋圆偏振光会被标尺光栅衍射2N次；

所述的第二反射镜(3)的反射面与标尺光栅(1)的夹角为

$\mathrm{\η}=\frac{3\mathrm{\π}}{8}+\frac{{\mathrm{\θ}}_M}{2}$

其中θ_M为左旋圆偏振光光束首次入射到标尺光栅的角度，M表示左旋圆偏振光会被标尺光栅衍射2N次。

3.根据权利要求1所述的基于平面镜的高光学细分光栅干涉仪，其特征在于，第三反射镜(4)与标尺光栅(1)的夹角α满足以下关系：

α＝β₁

其中，β₁为最小衍射角。