CN105043243A - 正交型零差激光干涉仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正交型零差激光干涉仪及其测量方法，其干涉仪结构简单可靠，包括氦氖激光器、分光棱镜、λ/8波片、立方角锥棱镜、测量立方角锥棱镜、精密导轨、光电探测器、小信号放大模块、带通滤波器模块、模数转换单元和计算机数据处理单元。激光器发出的激光经分光棱镜后分为参考光和测量光，测量光首先通过λ/8波片，然后经测量立方角锥棱镜反射得到的光束，再次经过λ/8波片后，与经参考立方角锥棱镜反射回的参考光束发生干涉，最后经偏振分光棱镜后得到两路正交的偏振光；光电探测器接收光信号并转成电信号后，由放大和滤波模块进行信号调理；调理后的电信号由计算机单元控制模数转换单元采集并解调出相位，得到测量立方角锥棱镜的实时位移并显示。

Description

正交型零差激光干涉仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及位移精密测量技术领域，具体地涉及一种高分辨率和大测量范围的零差激光干涉仪及其测量方法。

背景技术

位移是最基本的几何参量之一，其准确测量对人们从事各领域的研究和促进科学进步有重要意义。一方面，与其他机械量相比，位移容易检测，且检测准确度高，所以常将被测对象的机械量转化为位移来检测，位移测量仪器也因此成为机械量测量仪器中最基本的测量仪器。另一方面，近年来纳米科技发展迅速，尤其是半导体技术、微电子技术等的迅速发展和现代制造业精度的不断提高，对位移的测量灵敏度、测量分辨力和测量范围提出了更高要求。例如：半导体工业中高精度模板的制造与定位，高精度传感器的标定等。因此，研究具有大范围高精度的位移测量仪器具有重要的意义。

随着科学技术的发展，位移的检测手段已发展到多种，测量准确度也不断提高。例如：电容法、电阻法以及电涡流法等电学位移测量技术和以激光干涉测量为代表的光学测量技术。其中，电容位移传感器、电阻位移传感器等具有较小的体积和较低的价格，但是此类小型位移传感器的缺点是存在原理上的非线性，线性测量范围小并需要校准。而激光干涉测量技术以其可溯源、非接触测量、分辨力高等独特优势，应用极为广泛。例如，美国Agilent公司的5529A双频激光干涉仪，测量分辨率高，可达10nm。但是此类干涉仪体积较大、质量较重、需要很多光学元器件和复杂的光信号检测装置，因而难以做出结构紧凑、价格低廉的测量仪器。

传统干涉测量结构普遍系统庞大，光路复杂，敏感于准直，而且价格昂贵，因此迫切需要更加简单、紧凑、稳定的干涉位移测量系统。

发明内容

针对以上现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种零差激光干涉仪，该仪器是一种能够观测大尺度位移的精密测量仪器。本发明的另外一个目的是提供一种利用该零差激光干涉仪进行位移测量的方法。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

正交型零差激光干涉仪，包括光学系统和电路系统，所述光学系统包括氦氖激光器、分光棱镜、λ/8波片、测量立方角锥棱镜、精密导轨、参考立方角锥棱镜、偏振分光棱镜、第一光电探测器和第二光电探测器；其中，所述氦氖激光器、分光棱镜、λ/8波片和测量立方角锥棱镜依次固定置于同一轴线上，所述测量立方角锥棱镜安装固定在精密导轨上，所述参考立方角锥棱镜置于分光棱镜的一侧，用于反射参考光信号，所述参考立方角锥棱镜、分光棱镜和偏振分光棱镜依次固定安装在同一轴线上，所述第一光电探测器和第二光电探测器置于偏振分光棱镜的两侧，用来接收偏振分光棱镜出射的正交光束，并转化为电压信号；所述电路系统，包括第一小信号放大模块、第二小信号放大模块、第一带通滤波器模块、第二带通滤波器模块、模数转换单元和计算机数据处理单元；其中，所述第一小信号放大模块的输入端与第一光电探测器的输出端连接，所述第二小信号放大模块的输入端与第二光电探测器的输出端连接，所述第一带通滤波器模块的输入端与第一小信号放大模块的输出端连接，所述第二带通滤波器模块的输入端与第一小信号放大模块的输出端连接，所述第一带通滤波器模块和第一带通滤波器模块的输出端均与模数转换单元的输入端连接，所述模数转换单元的输出端通过USB接口与计算机数据处理单元的输入端连接，计算机单元控制模数转换单元采集并解调出相位，得到测量立方角锥棱镜的实时位移并显示。

上述正交型零差激光干涉仪的测量方法，主要包括以下步骤：

(1)氦氖激光器发出的线偏振光以45°角入射到分光棱镜后，分为参考光束和测量光束；测量光束首先通过λ/8波片，相位发生45°改变，再经过测量立方角锥棱镜4反射，使得返回光束再次经过λ/8波片，又产生45°的相移，之后输出的测量光束与经过参考立方角锥棱镜返回的线偏振参考光干涉；干涉信号经过偏振分光棱镜后得到两路相正交的线偏振光，分别由第一光电探测器和第二光电探测器检测；(2)第一光电探测器和第二光电探测器的输出电信号，通过第一小信号放大模块、第二小信号放大模块和第一带通滤波器模块、第二带通滤波器模块进行调理，用于提高输出信号的信噪比；调理后的两路信号在通过模数转换单元后，得到两路数字信号，转换后的两路数字信号为严格的正交信号，一路信号正比于测量立方角锥棱镜的相位的正弦函数，另一路信号正比于测量立方角锥棱镜的相位的余弦函数；计算机数据处理单元中，由虚拟仪器软件首先对信号进行振幅的归一化运算，使两路信号具有相同的振幅，然后计算相应的反正切函数，可以获得测量立方角锥棱镜的实时相位φ_(t)，最后依据关系式φ_(t)＝4πλ^-1L_(t)，就可以获得测量立方角锥棱镜的实时位移L_(t)。

本发明具有以下有益效果：

1)采用氦氖激光器作为系统光源，可以利用兰姆凹陷或者是塞曼分裂的等光强点作为激光频率稳定的天然工作点，因此频率稳定性好；另外，由于光束的发散角极小，无需经过准直就可以进行大尺度位移测量，具有性能稳定，使用方便，通用性强等优点。

2)采用立方角锥棱镜代替平面反射镜作为靶镜，可以保证在实际测量中，当靶镜移动时，无需考虑出射角角度(也无需考虑立方角锥棱镜的倾斜)，反射光束能始终与入射光束保持平行，光路调节方便；同时，返回光的侧移使得返回光束不再会射入激光器，不会干扰到激光器的谐振，从而保证系统测量的稳定性和可靠性。

3)信号调理电路系统集成度高，连接方便，能够提高输出信号的信噪比，降低了低频环境噪声对测量结果的影响，进而大幅度提高了位移测量装置的分辨率和系统的抗干扰能力。

4)本发明在位移0mm-300mm测量范围内的测量不确定度为0.6um，可测速范围0mm/s-60mm/s；干涉仪具有结构相对简单可靠，与市面上高精度激光干涉仪相比成本低廉，很适用于大尺度位移的测量，实用性强。

5)本发明以迈克尔逊干涉仪为基础演变得到的零差激光干涉仪，相较于经典的迈克尔逊干涉仪，其增加了一路输出信号，两路输出信号相正交，通过两路信号的相位信息来反应物体位移量变化，实现了大范围位移的精密测量。由于系统固有的结构简单、测量精度高、易于准直及可判向等显著优点，在部分测量领域可以代替传统的干涉仪。

附图说明

图1是本发明正交型零差激光干涉仪实验装置示意图；

图2是本发明正交型零差激光干涉仪机械结构图；

图3是本发明正交型零差激光干涉仪的软件处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方法，对本发明做进一步详细说明。

如图1，本发明装置中光学系统由氦氖激光器1、分光棱镜2、λ/8波片3、测量立方角锥棱镜4、精密导轨5、参考立方角锥棱镜6、偏振分光棱镜7和第一光电探测器81、第二光电探测器82组成。其中，氦氖激光器1输出单纵模基横模线偏振激光，偏振光的出射角度为45°，中心波长为632.8nm；分光棱镜2选用宽带分光棱镜(工作波长450nm-650nm，四个直角通光表面镀宽带多层增透膜)；λ/8波片3采用λ/8石英零级波片(工作波长为632.8nm)；测量立方角锥棱镜4和参考立方角锥棱镜6的入射表面镀有增透膜，光束偏转角精度达180°±5°；精密导轨5选用PI公司M-521.DD型号平移台，单向重复定位精度达0.1um，最高运行速度50mm/s，量程为200mm；偏振分光棱镜7选用宽带消偏振分光棱镜(工作波长405nm-650nm，四个外表面镀宽带多层增透膜)；第一光电探测器81、第二光电探测器82选用THORLABS公司DET36A/M型号的高速光电探测器(波长范围350nm-1100nm)。

如图1，本发明装置中电路系统由第一小信号放大模块91、第二小信号放大模块92、第一带通滤波器模块101、第二带通滤波器模块102、模数转换单元11和计算机数据处理单元12组成。其中，第一小信号放大模块91、第二小信号放大模块92采用高速运算放大器OPA657处理探测器输出的微弱信号，可以精确地实现微小电压信号的放大；第一带通滤波器模块101、第二带通滤波器模块102选用性价比极高的双路电压反馈型运算放大器AD8056，用于滤除噪声信号，提高输出信号的信噪比。光学系统与电路系统的连接是通过第一光电探测器81、第二光电探测器82的输出端分别与第一小信号放大模块91、第二小信号放大模块92的输入端相连。

结合图1来具体说明本发明的位移测量方法，具体测量步骤如下：

1)在调试干涉仪器前，先调整氦氖激光器1的位置，使氦氖激光器1输出的单纵模基横模线偏振激光以45°角入射到分光棱镜2后，分为参考光束和测量光束；

2)测量光束首先通过λ/8波片3，相位发生45°改变，再经过外腔中的测量立方角锥棱镜4反射，使得返回光束再次经过λ/8波片3，又产生45°的相移；

3)测量光束与经过参考立方角锥棱镜6返回的线偏振参考光会发生干涉；

4)干涉信号经过偏振分光棱镜7后分为两路相正交的线偏振光，分别由第一光电探测器81和第二光电探测器82检测。调试中，可以通过微调λ/8波片3与激光光束的夹角来保证两路输出激光相正交；

5)第一光电探测器81和第二光电探测器82的输出电压信号，通过第一小信号放大模块91和第二小信号放大模块92放大100倍后，输入到第一带通滤波器模块101和第二带通滤波器模块102进行降噪处理，用于提高输出信号的信噪比；

6)电路调理后的两路正交信号通过BNC连线同时送入模数转换单元11中，实现两路通道的16位同步采样，设置模数转换单元11工作在最大采样率模式，采样频率为750kHz，将采集得到的数字信号交由计算机数据处理单元12；

7)两路数字信号的比值准确地反映了待测目标位移引起的外腔相位变化，通过计算机数据处理单元12可以计算得到待测目标的位移。

结合图2说明本发明正交型零差激光干涉仪的机械结构图。氦氖激光器1、分光棱镜2、λ/8波片3和测量立方角锥棱镜4依次固定置于同一轴线上，其中，测量立方角锥棱镜4安装固定在精密导轨5上；参考立方角锥棱镜6置于分光棱镜2的另外一侧；偏振分光棱镜7、分光棱镜2和参考立方角锥棱镜6安装在同一轴线上；第一光电探测器81和第二光电探测器82置于偏振分光棱镜7的两侧。

结合图3说明本发明正交型零差激光干涉仪的软件处理流程图。本发明基于虚拟仪器软件LabVIEW作为系统的编程开发平台，完成计算机与采集系统的通信、数据分析、数据显示和数据存储等功能。LabVIEW软件启动后，首先初始化模数转换单元，利用数据采集I/O模块可以灵活地控制采集的开始与终止，配置采集系统的工作方式为连续采样，在该模式下，采样系统源源不断地对输入的模拟信号进行模数转换。每经过0.1s的时间，计算机将这段时间内的两路采样信号读入内存，其中一路信号正比于测量立方角锥棱镜4相位的正弦函数，另一路信号正比于测量立方角锥棱镜4相位的余弦函数；然后对两路信号进行振幅的归一化处理，使得两路信号幅值相等；再接着进行两路信号比值的反正切运算，获得随时间变化的外腔相位变化；由于反正切获得的相位包裹于[-π,+π]之间，需要对信号进行解包裹运算；最后根据相位φ_(t)与测量立方角锥棱镜的位移关系φ_(t)＝4πλ^-1L_(t)，计算出待测位移，如此循环往复，并在显示终端上实时显示测量立方角锥棱镜的实时位移L_(t)。

Claims (6)

1.正交型零差激光干涉仪，包括光学系统和电路系统，其特征在于：

所述光学系统包括氦氖激光器、分光棱镜、λ/8波片、测量立方角锥棱镜、精密导轨、参考立方角锥棱镜、偏振分光棱镜、第一光电探测器和第二光电探测器；其中，所述氦氖激光器、分光棱镜、λ/8波片和测量立方角锥棱镜依次固定置于同一轴线上，所述测量立方角锥棱镜安装固定在精密导轨上，所述参考立方角锥棱镜置于分光棱镜的一侧，用于反射参考光信号，所述参考立方角锥棱镜、分光棱镜和偏振分光棱镜依次固定安装在同一轴线上，所述第一光电探测器和第二光电探测器置于偏振分光棱镜的两侧，用来接收偏振分光棱镜出射的正交光束，并转化为电压信号；

所述电路系统，包括第一小信号放大模块、第二小信号放大模块、第一带通滤波器模块、第二带通滤波器模块、模数转换单元和计算机数据处理单元；其中，所述第一小信号放大模块的输入端与第一光电探测器的输出端连接，所述第二小信号放大模块的输入端与第二光电探测器的输出端连接，所述第一带通滤波器模块的输入端与第一小信号放大模块的输出端连接，所述第二带通滤波器模块的输入端与第一小信号放大模块的输出端连接，所述第一带通滤波器模块和第一带通滤波器模块的输出端均与模数转换单元的输入端连接，所述模数转换单元的输出端与计算机数据处理单元的输入端连接，计算机单元控制模数转换单元采集并解调出相位，得到测量立方角锥棱镜的实时位移并显示。

2.根据权利要求1所述的正交型零差激光干涉仪，其特征在于：所述测量立方角锥棱镜和参考立方角锥棱镜的入射表面均镀有增透膜。

3.根据权利要求1所述的正交型零差激光干涉仪，其特征在于：所述分光棱镜选用宽带分光棱镜，所述偏振分光棱镜选用宽带消偏振分光棱镜。

4.根据权利要求1至3之一所述的正交型零差激光干涉仪，其特征在于：所述模数转换单元通过USB接口与计算机数据处理单元连接。

5.利用如权利要求1所述的正交型零差激光干涉仪的测量方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

(1)氦氖激光器发出的线偏振光以45°角入射到分光棱镜后，分为参考光束和测量光束；测量光束首先通过λ/8波片，相位发生45°改变，再经过测量立方角锥棱镜4反射，使得返回光束再次经过λ/8波片，又产生45°的相移，之后输出的测量光束与经过参考立方角锥棱镜返回的线偏振参考光干涉；干涉信号经过偏振分光棱镜后得到两路相正交的线偏振光，分别由第一光电探测器和第二光电探测器检测；

(2)第一光电探测器和第二光电探测器的输出电信号，通过第一小信号放大模块、第二小信号放大模块和第一带通滤波器模块、第二带通滤波器模块进行调理，用于提高输出信号的信噪比；调理后的两路信号在通过模数转换单元后，得到两路数字信号，转换后的两路数字信号为严格的正交信号，一路信号正比于测量立方角锥棱镜的相位的正弦函数，另一路信号正比于测量立方角锥棱镜的相位的余弦函数；计算机数据处理单元中，由虚拟仪器软件首先对信号进行振幅的归一化运算，使两路信号具有相同的振幅，然后计算相应的反正切函数，可以获得测量立方角锥棱镜的实时相位φ_(t)，最后依据关系式φ_(t)＝4πλ^-1L_(t)，就可以获得测量立方角锥棱镜的实时位移L_(t)。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述氦氖激光器的中心波长为632.8nm。