CN106017333A - 基于相位调制的双激光单频干涉纳米位移测量装置及方法 - Google Patents

基于相位调制的双激光单频干涉纳米位移测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于相位调制的双激光单频干涉纳米位移测量装置及方法。单频激光器输出单波长的线偏振光，射向由四个分光镜和两个角锥棱镜构成的双激光单频干涉仪，分别形成测量干涉信号和参考干涉信号，分别由两个光电探测器接收；光路中放置电光相位调制器并施加周期性的锯齿波电压信号，将测量和参考直流干涉信号调制为交流干涉信号；检测被测对象运动引起的两路干涉信号的相位差变化量，得到被测位移。本发明克服了单频干涉仪由于直流漂移引入的误差，避免了对测量干涉信号的直接细分带来的正弦误差或者非正交误差，具有亚纳米级测量精度，适用于高端装备制造与加工领域中的精密位移测量。

Description

基于相位调制的双激光单频干涉纳米位移测量装置及方法
技术领域
本发明涉及单频干涉位移测量方法及装置，尤其是涉及一种基于相位调制的双激光单频干涉纳米位移测量装置及方法，属于精密测量技术领域。
背景技术
高精度的纳米位移测量在超精密加工、微电子制造以及精密测试计量等技术领域有着重要的应用。激光干涉测量技术因为具有测量范围大、分辨率高和米溯源等优点被广泛应用于纳米位移测量。根据测量原理，激光干涉主要分为单频干涉仪和外差干涉仪两大类。激光单频干涉仪是一种直流型干涉仪，直流光强漂移、对干涉条纹细分直接细分和干涉信号非正交等会引入较大的误差。外差干涉仪是一种交流干涉仪，可以克服直流光强漂移的影响，但是由于存在频率混叠和偏振混叠等引起的一阶非线性误差，限制了测量精度的提高。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种基于相位调制的双激光单频干涉纳米位移测量方法与装置；构建两套激光单频干涉仪光路结构，在参考臂中放置电光相位调制器，将两套单频干涉仪的直流干涉信号调制为交流干涉信号，通过检测两路干涉信号的相位差变化量来测得被测位移，实现亚纳米级位移测量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一、一种基于相位调制的双激光单频干涉纳米位移测量装置：
包括单频激光器、第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜、第四分光镜、电光相位调制器、高压放大器、信号发生器、参考角锥棱镜、测量角锥棱镜、第一光电探测器和第二光电探测器；
单频激光器输出波长为λ的线偏振光射向第一分光镜发生透射和反射，第一分光镜的透射输出光束射向第二分光镜发生透射和反射；
第二分光镜的反射输出光束经电光相位调制器调制后射向参考角锥棱镜，经参考角锥棱镜反射后的反射光束射向第四分光镜发生透射和反射，第四分光镜的反射输出光束与第一分光镜的反射输出光束在第三分光镜处汇合形成参考干涉信号，并由第一光电探测器接收；
第二分光镜的透射输出光束射向测量角锥棱镜，经测量角锥棱镜反射的光束与第四分光镜的透射输出光束在第二分光镜处汇合形成测量干涉信号，并由第二光电探测器接收。
所述的电光相位调制器是置于第二分光镜和参考角锥棱镜之间，调制的是射向参考角锥棱镜的第二分光镜反射输出光束。
所述的电光相位调制器经高压放大器与信号发生器连接，信号发生器输出的锯齿波电压经高压放大器放大后施加于电光相位调制器。
所述的电光相位调制器是将激光单频干涉仪的直流干涉信号调制为交流干涉信号。
二、一种基于相位调制的双激光单频干涉纳米位移测量方法：
(1)单频激光器输出波长为λ的线偏振光，射向由第一分光镜、第二分光镜、参考角锥棱镜、第三分光镜、第四分光镜组成的参考激光单频干涉仪和由第二分光镜、参考角锥棱镜、测量角锥棱镜组成的测量激光单频干涉仪，分别形成参考干涉信号和测量干涉信号，分别由两个光电探测器接收；
(2)信号发生器输出周期性的锯齿波电压信号经高压放大器放大后施加到光路的电光相位调制器中，电光相位调制器调制射向参考角锥棱镜的光束相位，将参考激光单频干涉仪和测量激光单频干涉仪的直流干涉信号均调制为交流干涉信号；
(3)测量角锥棱镜运动时，通过检测测量干涉信号和参考干涉信号相位差的变化量再采用以下公式得到被测位移ΔL为：
至此求出测量角锥棱镜的运动位移。
本发明具有的有益效果是：
(1)本发明中包含两套激光单频干涉仪，即使在测量角锥棱镜静止不动时，通过在电光相位调制器上施加周期性的锯齿波电压，将两套单频干涉仪的直流干涉信号调制为交流干涉信号，克服了单频干涉仪的干涉信号由于直流漂移引入的误差。
(2)测量角锥棱镜运动时，以参考干涉信号作为信号标记，检测测量干涉信号和参考干涉信号之间的相位差的变化量，避免了对测量干涉信号的直接细分带来的正弦误差或者非正交误差，并且光路中没有采用偏振器件，避免了偏振光非正交、偏振泄漏等偏振误差引起的一阶非线性误差，具有亚纳米级测量精度，可达到8.8pm左右的精度。
(3)光路结构简单，使用方便。本发明主要适用于超精密加工、微电子制造以及精密测试计量等领域所涉及的亚纳米级精度的位移测量。
附图说明
图1是本发明方法的原理图。
图2是调制电压波形(a)和调制后的两路干涉信号(b)示意图。
图3是测量干涉信号和参考干涉信号的相位差变化示意图。
图中：1、单频激光器，2、第一分光镜，3、第二分光镜，4、第三分光镜，5、第四分光镜，6、电光相位调制器，7、高压放大器，8、信号发生器，9、参考角锥棱镜，10、测量角锥棱镜，11、第一光电探测器，12、第二光电探测器。
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。
如图1所示，本发明包括单频激光器1、第一分光镜2、第二分光镜3、第三分光镜4、第四分光镜5、电光相位调制器6、高压放大器7、信号发生器8、参考角锥棱镜9、测量角锥棱镜10、第一光电探测器11和第二光电探测器12；单频激光器1输出波长为λ的线偏振光射向第一分光镜2，第一分光镜2透射的光束射向第二分光镜3，第二分光镜3的反射光束经电光相位调制器6调制后射向参考角锥棱镜9，参考角锥棱镜9反射的光束射向第四分光镜5，第四分光镜5的反射光束与第一分光镜2的反射光束在第三分光镜4处汇合，形成参考干涉信号由第一光电探测器11接收；第二分光镜3的透射光束射向测量角锥棱镜10，测量角锥棱镜10反射的光束与第四分光镜5的透射光束在第二分光镜3处汇合，形成测量干涉信号由第二光电探测器12接收。
信号发生器8输出的锯齿波电压经高压放大器7放大后施加给电光相位调制器6，电光相位调制器6置于第二分光镜3和参考角锥棱镜9之间，单频激光器1输出的线偏振光的偏振方向与电光相位调制器6的电场施加方向一致。
本发明实施过程如下：
记第一分光镜2、第二分光镜3、参考角锥棱镜9、第三分光镜4和第四分光镜5组成的干涉仪为参考激光单频干涉仪，记第二分光镜3、参考角锥棱镜9和测量角锥棱镜10组成的干涉仪为测量激光单频干涉仪。记Lr和Lm分别为参考干涉仪和测量干涉仪两臂之间的初始光程差，则两个探测器接收到的参考干涉信号和测量干涉信号的相位分别为：
式中：λ表示激光波长，表示参考干涉信号的相位，表示测量干涉信号的相位。
当在电光相位调制器6上施加电压Vs(t)时，两路干涉信号相位分别为：
式中：ne为电光相位调制晶体沿光轴方向的折射率，r33为线性电光系数，L为电光相位调制晶体沿光束传播方向的长度，d为电光相位调制晶体电极间距。
公式(3)和(4)中，当在电光相位调制晶体上施加周期性的锯齿波调制电压时，测量干涉信号和参考干涉信号的相位变化与调制电压Vs(t)之间的关系如图2所示。其中为施加于电光相位调制器6的周期为T的锯齿波电压，[]表示向下取整，为电光相位调制器6的半波电压，Vr(t)表示参考干涉信号波形，Vm(t)表示测量干涉信号波形。
从图2可以看出，参考干涉信号和测量干涉信号被调制为交流信号，根据公式(3)和(4)，两路干涉信号之间的初始相位差为：
测量角锥棱镜10移动位移ΔL，测量干涉信号的相位变为：
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3所示，Vm′(t)表示测量角锥棱镜10移动后测量干涉信号波形。
由公式(7)式减去公式(5)式，得：
令根据公式(8)可得测量角锥棱镜10移动的位移ΔL为：
实施例中，激光光源为单频He-Ne稳频激光器，采用的是英国Renishaw公司的XL80型激光器，输出线偏振光。待测激光波长λ采用典型值632.990577nm，现有技术一般能达到的干涉信号相位差测量精度为0.01，由此代入上述公式(9)获得测量精度为8.8pm。
至此由实施例可见，本发明光路中没有采用偏振器件，避免了偏振光非正交、偏振泄漏等偏振误差引起的一阶非线性误差，具有亚纳米级测量精度，克服了单频干涉仪的干涉信号由于直流漂移引入的误差，具有其突出显著的技术效果。

Claims (6)

1.一种基于相位调制的双激光单频干涉纳米位移测量装置，其特征在于：
包括单频激光器(1)、第一分光镜(2)、第二分光镜(3)、第三分光镜(4)、第四分光镜(5)、电光相位调制器(6)、高压放大器(7)、信号发生器(8)、参考角锥棱镜(9)、测量角锥棱镜(10)、第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)；
单频激光器(1)输出波长为λ的线偏振光射向第一分光镜(2)发生透射和反射，第一分光镜(2)的透射输出光束射向第二分光镜(3)发生透射和反射；
第二分光镜(3)的反射输出光束经电光相位调制器(6)调制后射向参考角锥棱镜(9)，经参考角锥棱镜(9)反射后的反射光束射向第四分光镜(5)发生透射和反射，第四分光镜(5)的反射输出光束与第一分光镜(2)的反射输出光束在第三分光镜(4)处汇合形成参考干涉信号，并由第一光电探测器(11)接收；
第二分光镜(3)的透射输出光束射向测量角锥棱镜(10)，经测量角锥棱镜(10)反射的光束与第四分光镜(5)的透射输出光束在第二分光镜(3)处汇合形成测量干涉信号，并由第二光电探测器(12)接收。
2.根据权利要求1所述的一种基于相位调制的双激光单频干涉纳米位移测量装置，其特征在于：所述的电光相位调制器(6)是置于第二分光镜(3)和参考角锥棱镜(9)之间，调制的是射向参考角锥棱镜(9)的第二分光镜(3)反射输出光束。
3.根据权利要求1所述的一种基于相位调制的双激光单频干涉纳米位移测量装置，其特征在于：所述的电光相位调制器(6)经高压放大器(7)与信号发生器(8)连接，信号发生器(8)输出的锯齿波电压经高压放大器(7)放大后施加于电光相位调制器(6)。
4.根据权利要求1～3任一所述的一种基于相位调制的双激光单频干涉纳米位移测量装置，其特征在于：所述的电光相位调制器(6)是将激光单频干涉仪的直流干涉信号调制为交流干涉信号。
5.应用于权利要求1～4任一所述装置的一种基于相位调制的双激光单频干涉纳米位移测量方法，其特征在于：
(1)单频激光器输出波长为λ的线偏振光，射向主要由第一分光镜(2)、第二分光镜(3)、参考角锥棱镜(9)、第三分光镜(4)、第四分光镜(5)组成的参考激光单频干涉仪和主要由第二分光镜(3)、参考角锥棱镜(9)、测量角锥棱镜(10)组成的测量激光单频干涉仪，分别形成参考干涉信号和测量干涉信号，分别由两个光电探测器接收；
(2)信号发生器输出周期性的锯齿波电压信号经高压放大器放大后施加到电光相位调制器中，电光相位调制器调制射向参考角锥棱镜(9)的光束相位，将参考激光单频干涉仪和测量激光单频干涉仪的直流干涉信号均调制为交流干涉信号；
(3)测量角锥棱镜(10)运动时，通过两个光电探测器检测获得的信号计算得到被测位移ΔL。
6.根据权利要求5所述的一种基于相位调制的双激光单频干涉纳米位移测量方法，其特征在于：所述步骤(3)通过检测测量干涉信号和参考干涉信号相位差的变化量再采用以下公式得到被测位移ΔL为：
至此求出测量角锥棱镜的运动位移。
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