CN106225667B - 一种单频激光干涉仪非线性误差补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单频激光干涉仪非线性误差补偿装置，其特征是激光器发出的光束经偏振分光棱镜分束后，其透射光投射至直角棱镜，并返回偏振分光棱镜形成参考光S；其反射光投射至平面反射镜，并返回偏振分光棱镜形成测量光P；在参考光路放置沿S方向的线偏振片；在测量光路放置沿P方向的线偏振片，实现非正交误差补偿；在线偏振片的出射光路中设置半透半反镜，使参考光和测量光合束后经消偏振分光棱镜均匀分束，其透射光经四分之一波片，再经偏振分光棱镜产生干涉信号I₁和I₂；其反射光经偏振分光棱镜产生干涉信号I₃和I₄；I₁，I₂，I₃和I₄的相位互差90°。本发明使单频激光干涉仪的非线性误差得到有效的补偿。

Description

一种单频激光干涉仪非线性误差补偿装置

技术领域

本发明属于光学测量、高精密测试和精密计量技术领域，特别涉及单频激光干涉仪非线性误差补偿装置。

背景技术

随着纳米技术与集成芯片领域的迅速发展和现代制造业精度的不断提高，对微小位移的测量分辨力提出了更高要求。在诸多能够实现微小位移测量方法中，激光干涉测量技术以其高分辨力和非接触测量在精密和超精密测量中被广泛应用。特别是激光干涉测量技术具有可溯源性，当溯源到米定义时，其它测量手段仍需激光干涉仪来进行标定和校准。目前常用的零差激光干涉仪普遍采用了偏振移相技术和信号差分处理，使得测量误差主要体现为较小的干涉仪非线性误差，非常适用于纳米精度的位移测量。

激光干涉仪的非线性误差主要来源于光学元件的性能不理想和位置调整不完善，非线性误差值经理论分析通常达到10nm。在微米级别的测量中，这个误差可以忽略，但对于纳米亚纳米级别的测量，此误差严重制约了干涉仪在高精度测量领域的应用。

研究非线性误差的来源和作用机理，从而减小和消除非线性误差已成为国内外研究的焦点。偏振分光棱镜是干涉仪光路中的重要分光元件，其分光不均和漏光导致的偏振态混合是零差激光干涉仪非线性误差的主要来源。一些已有的关于偏振分光棱镜的非线性误差的分析是将光路中所有偏振分光棱镜视为相同；也有的关于补偿光学元件的非线性误差仅考虑探测部分的偏振分光棱镜对非线性的影响，将干涉部分偏振分光棱镜引起的非线性忽略不计，这些方法并不全面；迄今为止，还没有从偏振分光棱镜对三差，即直流偏置、不等幅和相位非正交的影响机理来分析非线性的来源本质，也没有关于从光学结构布局上消除相位非正交的装置的公开报导。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种单频激光干涉仪非线性误差补偿装置，基于处于不同位置的偏振分光棱镜对直流偏置、不等幅和相位非正交的影响不同的前提，通过分离干涉部分参考光和测量光来修正偏振分光棱镜引起的相位非正交的结构，并通过光电探测器的增益系数调节来修正直流偏置和不等幅。

本发明为解决技术问题采用以下技术方案：

本发明单频激光干涉仪非线性误差补偿装置的结构特点是：

激光器发出的光束经第一线偏振片出射为一束45°线偏光A11，所述线偏光A11经第一偏振分光棱镜分束为P分量的透射光A21和S分量的反射光A22；

所述透射光A21作为参考光经过第一四分之一波片转变为圆偏光后投射至直角棱镜，由所述直角棱镜反射回并再次通过第一四分之一波片后，参考光的偏振态转变为S方向，经第一偏振分光棱镜的反射形成参考光S；

所述反射光A22作为测量光经过第二四分之一波片转变为圆偏光后投射至平面反射镜，由所述平面反射镜反射回并再次通过第二四分之一波片后，测量光的偏振态转变为P方向，经第一偏振分光棱镜的透射形成测量光P；

在所述参考光S的出射光路中放置透光轴沿S方向的第二线偏振片，所述参考光S在第二线偏振片中滤除P分量；在所述测量光P的出射光路中放置透光轴沿P方向的第三线偏振片，所述测量光P在第三线偏振片中滤除S分量，以此补偿因第一偏振分光棱镜引起的非正交误差；

在所述第二线偏振片的出射光路中设置第一半透半反镜，在所述第三线偏振片的出射光路中设置第二半透半反镜，使参考光S和测量光P经所述第二半透半反镜中合成为复合光束B11；

所述复合光束B11经二分之一波片，使参考光S和测量光P的偏振态各自旋转45°后变成±45°线偏光，再经消偏振分光棱镜均匀分束为透射光A31和反射光A32，所述透射光A31经第三四分之一波片，在快慢轴之间产生90°相移，再经第二偏振分光棱镜的分光，产生两路相位差为180°的干涉信号I₁和I₂，所述干涉信号I₁和I₂一一对应地由第一光电探测器和第二光电探测器接收；所述反射光A32经第三偏振分光棱镜的分光，产生两路相位差为180°的干涉信号I₃和I₄，所述干涉信号I₃和I₄一一对应地由第三光电探测器和第四光电探测器接收；所述干涉信号I₁，I₂，I₃和I₄的相位相互差90°。

本发明单频激光干涉仪非线性误差补偿装置的结构特点也在于：由所述第一偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片、平面反射镜和直角棱镜集成为第一光学组件，所述第一四分之一波片和第二四分之一波片的快轴方向与各自所在平面的水平轴夹角为45°。

本发明单频激光干涉仪非线性误差补偿装置的结构特点也在于：所述第二线偏振片和第三线偏振片具有10000:1的高消光比，所述第二线偏振片、第三线偏振片、第一半透半反镜和第二半透半反镜集成为第二光学组件；所述第二线偏振片的透光轴与其所在平面的水平轴夹角为90°，所述第三线偏振片的透光轴与其所在平面的水平轴夹角为0°，所述第一半透半反镜和第二半透半反镜的面法向方向与各自入射光束的夹角为45°。

本发明单频激光干涉仪非线性误差补偿装置的结构特点也在于：所述第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜为相同的光学器件，即：

t_p2＝t_p3，r_p2＝r_p3，r_s2＝r_s3，t_s2＝t_s3；其中：

t_p2和r_p2分别为第二偏振分光棱镜对P分量的透射系数和反射系数；

t_s2和r_s2分别为第二偏振分光棱镜对S分量的透射系数和反射系数；

t_p3和r_p3分别为第三偏振分光棱镜对P分量的透射系数和反射系数；

t_s3和r_s3分别为第三偏振分光棱镜对S分量的透射系数和反射系数。

本发明单频激光干涉仪非线性误差补偿装置的结构特点也在于：

令第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器的增益系数分别为：k₁、k₂、k₃和k₄，并按式(1)设置k₁、k₂、k₃和k₄：

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明相对于其它单频激光干涉仪非线性误差的硬件和软件补偿方法来说，采用了简单的光路布局结构，通过分离参考光和测量光滤除了偏振分光棱镜引起的偏振态混合，从而从干涉仪自身结构上补偿了最难处理的相位非正交误差。

2、本发明综合考虑了干涉光路中不同位置偏振分光棱镜对直流偏置、不等幅和相位非正交影响的不同，采用了不同的方法来进行补偿：相位非正交采用了光学元件的重新布局来消除，直流偏置和不等幅采用增益调整来修正，最终有效补偿了光学元件引起的非线性误差。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明中第一光学组件结构示意图；

图3为本发明中第二光学组件结构示意图；

图4为本发明中四分之一波片的快轴方向示意图，z向为光束传播方向；

图5为本发明中二分之一波片的快轴方向示意图，z向为光束传播方向；

图6为本发明中线偏振片的透光轴示意图，z向为光束传播方向；

图7为本发明中半透半反镜平面法线方向示意图，z向为光束传播方向。

图中标号：1第一线偏振片，2第一偏振分光棱镜，3第二四分之一波片，4第一四分之一波片，5平面反射镜，6直角棱镜，7第二线偏振片，8第三线偏振片，9第一半透半反镜，10第二半透半反镜，11二分之一波片，12消偏振分光棱镜，13第三四分之一波片，14第二偏振分光棱镜，15第三偏振分光棱镜、16第一光电探测器，17第二光电探测器，18第三光电探测器，19第四光电探测器，20激光器。

具体实施方式

参见图1，本实施例中单频激光干涉仪非线性误差补偿装置的结构形式是：

激光器20发出的光束经第一线偏振片1出射为一束45°线偏光A11，线偏光A11经第一偏振分光棱镜2分束为P分量的透射光A21和S分量的反射光A22。第一线偏片1的透光轴方向与其所在平面的水平轴的夹角为45°，以保证入射到第一偏振分光棱镜2的是45°线偏光，因为偏振分光棱镜只对45°线偏光进行均匀分光，参见图6。

透射光A21作为参考光经过第一四分之一波片4转变为圆偏光后投射至直角棱镜6，由直角棱镜6反射回并再次通过第一四分之一波片4后，参考光的偏振态转变为S方向，经第一偏振分光棱镜2的反射形成参考光S。

反射光A22作为测量光经过第二四分之一波片3转变为圆偏光后投射至平面反射镜5，由平面反射镜5反射回并再次通过第二四分之一波片3后，测量光的偏振态转变为P方向，经第一偏振分光棱镜2的透射形成测量光P。

第一四分之一波片4和第二四分之一波片3的快轴方向与各自所在平面的水平轴夹角为45°，参考光和测量光分别两次通过第一四分之一波片4和第二四分之一波片3，实现偏振态的90°转变，参见图4。

在参考光S的出射光路中放置透光轴沿S方向的第二线偏振片7，参考光S在第二线偏振片7中滤除P分量；在测量光P的出射光路中放置透光轴沿P方向的第三线偏振片8，测量光P在第三线偏振片8中滤除S分量，以此补偿因第一偏振分光棱镜2引起的非正交误差。处于整个光路的干涉部分的第一偏振分光棱镜2，由于分光性能不理想而导致参考光和测量光均发生偏振态混合，这是引起相位非正交的主要因素，也是三差中最难以消除的部分。

在第二线偏振片7的出射光路中设置第一半透半反镜9，在第三线偏振片8的出射光路中设置第二半透半反镜10，使参考光S和测量光P经第二半透半反镜10中合成为复合光束B11。

复合光束B11经二分之一波片11，二分之一波片11的快轴方向与其所在平面的水平轴夹角为22.5°，如图5所示，使参考光S和测量光P在通过二分之一波片11它们的偏振态各自旋转45°后变成±45°线偏光，再经消偏振分光棱镜12均匀分束为透射光A31和反射光A32，透射光A31经第三四分之一波片13，在快慢轴之间产生90°相移，再经第二偏振分光棱镜14的分光，产生两路相位差为180°的干涉信号I₁和I₂，干涉信号I₁和I₂一一对应地由第一光电探测器16和第二光电探测器17接收；反射光A32经第三偏振分光棱镜15的分光，产生两路相位差为180°的干涉信号I₃和I₄，干涉信号I₃和I₄一一对应地由第三光电探测器18和第四光电探测器19接收；干涉信号I₁，I₂，I₃和I₄的相位相互差90°。

具体实施例中，相应的结构设置也包括：

由第一偏振分光棱镜2、第一四分之一波片4、第二四分之一波片3、平面反射镜5和直角棱镜6集成为第一光学组件如图2所示，第一四分之一波片4和第二四分之一波片3的快轴方向与各自所在平面的水平轴夹角为45°。

在第一光学组件中，没有像常规那样选取两个平面镜或者两个直角棱镜作为参考镜和测量镜，而是选取了平面反射镜和直角棱镜的组合，这样做的目的是将干涉部分的参考光和测量光分离为两束，以便于后面分别消除参考光和测量光中的多余混合态。

第二线偏振片7和第三线偏振片8具有10000:1的高消光比，第二线偏振片7、第三线偏振片8、第一半透半反镜9和第二半透半反镜10集成为第二光学组件如图3所示；由于第一偏振分光棱镜2的性能不理想引起偏振态混合，即第二次从第一偏振分光棱镜2反射的参考光S中包含少量P方向偏振光，透射的测量光P中包含少量S方向偏振光。所述第二线偏振片7的透光轴与其所在平面的水平轴夹角为90°，用来滤除参考光中少量P方向偏振光；第三线偏振片8的透光轴与其所在平面的水平轴夹角为0°，用来滤除测量光中少量S方向偏振光，参见图6；第一半透半反镜9和第二半透半反镜10的面法向方向与各自入射光束的夹角为45°，参考光S投射至第一半透半反镜9被均匀地分光，其中反射光以45°入射到第二半透半反镜10，与被第二半透半反镜10透射的测量光P合成复合光束B11，进入探测部分，参见图7。

设置第二偏振分光棱镜14和第三偏振分光棱镜15为相同的光学器件，即：

t_p2＝t_p3，r_p2＝r_p3，r_s2＝r_s3，t_s2＝t_s3；其中：

t_p2和r_p2分别为第二偏振分光棱镜14对P分量的透射系数和反射系数；

t_s2和r_s2分别为第二偏振分光棱镜14对S分量的透射系数和反射系数；

t_p3和r_p3分别为第三偏振分光棱镜15对P分量的透射系数和反射系数；

t_s3和r_s3分别为第三偏振分光棱镜15对S分量的透射系数和反射系数。

令第一光电探测器16、第二光电探测器17、第三光电探测器18和第四光电探测器19的增益系数分别为：k₁、k₂、k₃和k₄，并按式(1)设置k₁、k₂、k₃和k₄：

第二偏振分光棱镜14和第三偏振分光棱镜15处于整个光路的探测部分，它们的性能不理想对非线性误差的影响不同于处于干涉部分的第一偏振分光棱镜2对非线性误差的影响，它们引入的非线性误差主要体现在直流偏置和不等幅，并且通过光路布局无法消除。依据第二偏振分光棱镜14和第三偏振分光棱镜15的性能参数，按照公式(1)来调节四路光信号转变为电信号的增益系数k₁，k₂，k₃和k₄，可以有效修正干涉仪的直流偏置和不等幅。

本发明提供的这种单频激光干涉仪非线性误差补偿装置，采用的是光路布局调整和增益调节的方式来补偿非线性的三差。其布局结构简单，光路易于调整；与常见干涉仪相比，增加的光学元件数目较少，没有增加整个装置体积；与Heydemann的椭圆修正方法相比，可以实现实时动态补偿，无需大量的计算，特别适用于微小位移的测量工作，以及精密的定位和标定工作。

Claims (5)

1.一种单频激光干涉仪非线性误差补偿装置，其特征是：

激光器(20)发出的光束经第一线偏振片(1)出射为一束45°线偏光A11，所述线偏光A11经第一偏振分光棱镜(2)分束为P分量的透射光A21和S分量的反射光A22；

所述透射光A21作为参考光经过第一四分之一波片(4)转变为圆偏光后投射至直角棱镜(6)，由所述直角棱镜(6)反射回并再次通过第一四分之一波片(4)后，参考光的偏振态转变为S方向，经第一偏振分光棱镜(2)的反射形成参考光S；

所述反射光A22作为测量光经过第二四分之一波片(3)转变为圆偏光后投射至平面反射镜(5)，由所述平面反射镜(5)反射回并再次通过第二四分之一波片(3)后，测量光的偏振态转变为P方向，经第一偏振分光棱镜(2)的透射形成测量光P；

在所述参考光S的出射光路中放置透光轴沿S方向的第二线偏振片(7)，所述参考光S在第二线偏振片(7)中滤除P分量；在所述测量光P的出射光路中放置透光轴沿P方向的第三线偏振片(8)，所述测量光P在第三线偏振片(8)中滤除S分量，以此补偿因第一偏振分光棱镜(2)引起的非正交误差；

在所述第二线偏振片(7)的出射光路中设置第一半透半反镜(9)，在所述第三线偏振片(8)的出射光路中设置第二半透半反镜(10)，使参考光S和测量光P经所述第二半透半反镜(10)中合成为复合光束B11；

所述复合光束B11经二分之一波片(11)，使参考光S和测量光P的偏振态各自旋转45°后变成±45°线偏光，再经消偏振分光棱镜(12)均匀分束为透射光A31和反射光A32，所述透射光A31经第三四分之一波片(13)，在快慢轴之间产生90°相移，再经第二偏振分光棱镜(14)的分光，产生两路相位差为180°的干涉信号I₁和I₂，所述干涉信号I₁和I₂一一对应地由第一光电探测器(16)和第二光电探测器(17)接收；所述反射光A32经第三偏振分光棱镜(15)的分光，产生两路相位差为180°的干涉信号I₃和I₄，所述干涉信号I₃和I₄一一对应地由第三光电探测器(18)和第四光电探测器(19)接收；所述干涉信号I₁，I₂，I₃和I₄的相位相互差90°。

2.根据权利要求1所述的单频激光干涉仪非线性误差补偿装置，其特征是：由所述第一偏振分光棱镜(2)、第一四分之一波片(4)、第二四分之一波片(3)、平面反射镜(5)和直角棱镜(6)集成为第一光学组件，所述第一四分之一波片(4)和第二四分之一波片(3)的快轴方向与各自所在平面的水平轴夹角为45°。

3.根据权利要求1所述的单频激光干涉仪非线性误差补偿装置，其特征是：所述第二线偏振片(7)和第三线偏振片(8)具有10000:1的高消光比，所述第二线偏振片(7)、第三线偏振片(8)、第一半透半反镜(9)和第二半透半反镜(10)集成为第二光学组件；所述第二线偏振片(7)的透光轴与其所在平面的水平轴夹角为90°，所述第三线偏振片(8)的透光轴与其所在平面的水平轴夹角为0°，所述第一半透半反镜(9)和第二半透半反镜(10)的面法向方向与各自入射光束的夹角为45°。

4.根据权利要求1所述的单频激光干涉仪非线性误差补偿装置，其特征是：

所述第二偏振分光棱镜(14)和第三偏振分光棱镜(15)为相同的光学器件，即：

t_p2＝t_p3，r_p2＝r_p3，r_s2＝r_s3，t_s2＝t_s3；其中：

t_p2和r_p2分别为第二偏振分光棱镜(14)对P分量的透射系数和反射系数；

t_s2和r_s2分别为第二偏振分光棱镜(14)对S分量的透射系数和反射系数；

t_p3和r_p3分别为第三偏振分光棱镜(15)对P分量的透射系数和反射系数；

t_s3和r_s3分别为第三偏振分光棱镜(15)对S分量的透射系数和反射系数。

5.根据权利要求4所述的单频激光干涉仪非线性误差补偿装置，其特征是：

令第一光电探测器(16)、第二光电探测器(17)、第三光电探测器(18)和第四光电探测器(19)的增益系数分别为：k₁、k₂、k₃和k₄，并按式(1)设置k₁、k₂、k₃和k₄：