CN106705858A - 一种基于合成干涉信号偏振态检测技术的纳米测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于合成干涉信号偏振态检测技术的纳米测量系统。本发明由激光干涉单元和偏振态检测单元两部分组成。激光干涉单元在单频迈克尔逊干涉仪的基础上引入偏振态转换技术，以获得含有位移信息的合成线性偏振光。偏振检测单元为采用基于电光液晶相位调制的偏振测量系统。偏振态检测单元能测出激光干涉单元出射光Stokes矢量，由Stokes矢量获得偏振光的椭圆度角ε和方位角θ。方位角θ与移动镜的位移Δx存在线性关系，借助偏振态相位调制技术，实现方位角θ的测量，从而实现高分辨率的相位细分。通过监测椭圆度角ε，结合波片位置调节法，可减小干涉仪光学非线性误差。本发明能实现高分辨率、大范围的纳米测量，且系统具有光学非线性自校正的功能。
Description
技术领域
本发明涉及精密测量技术领域，特别是涉及一种基于合成干涉信号偏振态检测技术的纳米测量系统。
背景技术
纳米位移测量技术是高档数控机床、极大规模集成电路、大面积扫描探针显微镜等超精密高端制造装备的核心技术和关键功能部件，是实现高端制造、半导体、生物医学等领域纳米制造的保证。目前主要的纳米测量方法有扫描隧道显微镜、光栅传感器和激光干涉仪等，这几种方法都能达到亚纳米级分辨率。扫描隧道显微镜测量范围仅为微米量程且存在米溯源问题，光栅传感器光学元件安放困难。激光干涉仪可实现大量程纳米测量、抗干扰能力强，是目前广泛使用的纳米测量方法，激光干涉仪是通过对位移引起的条纹移动的处理来实现位移测量，因此干涉条纹的细分方法和细分精度影响激光干涉仪的测量精度和测量分辨率，另外光学偏振混叠等引起的光学非线性误差也限制了激光干涉仪的有效分辨率。
申请公布号CN103075969A公布了一种差动式激光干涉纳米位移测量方法及装置，该测量方法采用单频干涉和差动原理。但是该方法的测量过程是一个还原过程，实时性测量受到限制。申请公布号CN104697438A公布了一种移动补偿式角反射镜激光干涉仪及使用方法，该干涉仪通过设置可移动微动平台来获得干涉过程中干涉波的小数部分以提高精度，但是其未考虑光学非线性误差对测量精度的影响。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于合成干涉信号偏振态检测技术的纳米测量系统。
本发明所采用的技术发明如下：
本发明由激光源、偏振片、λ/2波片、第一偏振分光镜、第一λ/4波片、固定镜、第二λ/4波片、移动镜、第三λ/4波片、第一液晶调制器、第二液晶调制器、第二偏振分光镜、第一光电探测器、第二光电探测器组成。
上述各部分的连接关系如下：
激光源出射线性偏振光偏振角为45°，可由偏振片和λ/2波片调整得到，该偏振光经第一偏振分光镜被分成两束：即P偏振光和S偏振光。P偏振光经过第一λ/4波片后变成圆偏振光被发送至固定镜，S偏振光经第二λ/4波片后变成圆偏振光被发送至移动镜。P偏振光经过固定镜反射后通过第一λ/4波片和第一偏振分光镜成为圆偏振光，S偏振光经过移动镜反射后通过第二λ/4波片和第一偏振分光镜成为圆偏振光。两个圆偏振光经过第三λ/4波片成为线性偏振光，该线性偏振光经过第一液晶调制器、第二液晶调制器后，通过第二偏振分光镜被分成两束正交的线性偏振光P光和S光，由第一光电探测器和第二光电探测器探测其光强IT和IR，改变2个液晶调制器的相位延迟量，再由2个光电探测器探测其光强IT’和IR’。
所述的纳米测量系统由激光干涉单元和偏振态检测单元两部分组成。激光干涉单元的出射光作为偏振态检测单元的入射光，激光干涉单元的出射光为随着移动镜移动而旋转的线性偏振光。
所述的激光干涉单元由激光源、偏振片、λ/2波片、第一偏振分光镜、第一λ/4波片、固定镜、第二λ/4波片、移动镜、第三λ/4波片组成。激光干涉单元出射偏振光方位角θ和移动镜的位移量Δx成线性关系。
所述的偏振态检测单元由第一液晶调制器、第二液晶调制器、第二偏振分光镜、第一光电探测器、第二光电探测器组成。偏振态检测单元中的两个液晶调制器的相位延迟量由高压放大器输出幅值控制，其中第一液晶调制器的快轴选取在水平方向，第二液晶调制器的快轴与水平方向成45°。测量经过不同相位延迟下液晶调制器的偏振光光强，可以得到Stokes矢量、椭圆度角ε和方位角θ。由此可以得到移动镜的位移量Δx。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明在单频迈克尔逊干涉仪的基础上引入激光偏振干涉技术和激光偏振态检测技术，构建新型偏振干涉仪，可使测量分辨率达到纳米量级，又使测量范围没有测量上限。
2.本发明可以通过旋转干涉光路中的波片以及偏振片、结合激光偏振态检测技术，可直观地观察并改变干涉光的线性度ε，可以有效减小光学非线性误差，从而提高测量精度。
3.本发明采用相位调制法测量偏振光的偏振态，相比于传统的商用偏振计，减小了机械误差，提高信噪比，从而提高了干涉仪的分辨率和测量速度，还降低了成本。
附图说明
图1是本发明的纳米测量系统的整体结构示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明由激光源1、偏振片2、λ/2波片3、第一偏振分光镜4、第一λ/4波片5、固定镜6、第二λ/4波片7、移动镜8、第三λ/4波片9、第一液晶调制器10、第二液晶调制器11、第二偏振分光镜12、第一光电探测器13、第二光电探测器14组成。
本发明系统由激光干涉单元和偏振态检测单元两部分组成，其中激光干涉单元由激光源1、偏振片2、λ/2波片3、第一偏振分光镜4、第一λ/4波片5、固定镜6、第二λ/4波片7、移动镜8、第三λ/4波片9组成。激光源1出射一束线性偏振光，该线性偏振光依次经过偏振片2、λ/2波片3，经过偏振片2、λ/2波片3调整可以得到偏振角为45°的线性偏振光，该45°的线性偏振光经过第一偏振分光镜4被分成两束线性偏振光分别为S偏振光和P偏振光。P偏振光经第二λ/4波片7后变成圆偏振光被发送至移动镜8。P偏振光经过固定镜6反射后通过第一λ/4波片5和第一偏振分光镜4成为圆偏振光，S偏振光经过移动镜8反射后通过第一λ/4波片5后变成圆偏振光被发送至固定镜6，S偏振光经过第二λ/4波片7和第一偏振分光镜4成为圆偏振光。两个圆偏振光经第三λ/4波片成为线性偏振光。该线性偏振光即是激光干涉部分的出射光。
当移动镜8移动时，激光干涉单元出射光的相位角θ会发生变化，变化值为±φ，正负符号与移动镜的移动方向有关，而激光干涉单元的出射光为线性偏振光，相位角θ与相位变化量Φ有关。因此，移动镜8的位移量Δx可通过测量偏振平面的方位角θ来测量，位移量Δx与方位角变化量Δθ的关系表达式为：
式中，λ0为真空激光波长，n为空气折射率。位移量值Δx由方位角θ变化的整数周期脉冲个数和不到一个周期的θ的当前值决定，被测物体的运动方向依据方位角θ的转动方向(逆时针或顺时针)来判断。
本发明的偏振检测单元由第一液晶调制器10、第二液晶调制器11、第二偏振分光镜12、第一光电探测器13、第二光电探测器14组成。激光干涉单元的出射光即为偏振检测单元的入射光。该线性偏振光经过第一液晶调制器10、第二液晶调制器11后，通过第二偏振分光镜13被分成两束正交的线偏振光P光和S光，由第一光电探测器14和第二探测器15探测其光强IT和IR，改变2个液晶调制器的相位延迟量，再由2个光电探测器探测其光强IT’和IR’。
本发明的偏振检测单元采用基于电光液晶相位调制的偏振测量系统，利用电光调制器的双折射系数由所加电压控制的特性，对干涉仪出射光的偏振状态进行精确控制。偏振态检测单元中的第一液晶调制器10、第二液晶调制器11的相位延迟量由高压放大器输出幅值控制，其中第一液晶调制器10的快轴选取在水平方向，第二液晶调制器11的快轴与水平方向成45°。改变的第一液晶调制器10、第二液晶调制器11的相位延迟量，可以由第一光电探测器14、第二探测器15测的不同的光强，就可以计算出Stokes矢量、椭圆度角ε和方位角θ，从而全面描述光束的偏振状态。Stokes矢量与光强的关系表达式为：
控制第一液晶调制器10为0相位延迟，控制第二液晶调制器11分别为0和λ/2相位延迟，激光干涉单元的出射光经过不同相位延迟后由通过第二偏振分光镜13被分成两束正交的线偏振光P光和S光，由第一光电探测器14和第二探测器15探测其光强IT和IR，改变2个液晶调制器的相位延迟量，再由2个光电探测器探测其光强IT’和IR’。可以测得S1.
同理，控制第一液晶调制器10为0相位延迟，控制第二液晶调制器11分别为λ/4和3λ/4相位延迟，可以测得S2。
同理，控制第一液晶调制器10为λ/4相位延迟，控制第二液晶调制器11分别为λ/4和3λ/4相位延迟，可以测得S3。
再由S1，S2，S3可以测得椭圆度角ε和方位角θ，其中椭圆度角ε和Stokes矢量的关系表达式为：
椭圆度角ε可表征干涉仪出射光的偏振线性度，结合波片位置调整，确保干涉仪出射光为线性偏振光(ε＝0°)，抑制主要由光源偏振态的非线性、波片方位角偏差、偏振分光镜偏振度不良引起的干涉仪出射光的偏振椭圆化，从而减小干涉仪非线性误差，提高测量精度。
方位角θ与Stokes矢量的关系表达式为：
即
代入典型值：当波长λ＝632.992027nm，方位角θ的测量精度达到0.01°时，干涉条纹细分倍数达到36000倍，优于目前的干涉条纹细分方法，位移量的分辨率可以达到0.017nm.
至此完成本发明。
Claims (4)
1.一种基于合成干涉信号偏振态检测技术的纳米测量系统，其特征在于该系统由激光源、偏振片、λ/2波片、第一偏振分光镜、第一λ/4波片、固定镜、第二λ/4波片、移动镜、第三λ/4波片、第一液晶调制器、第二液晶调制器、第二偏振分光镜、第一光电探测器、第二光电探测器组成，上述各部分的连接关系如下：
激光源出射线性偏振光器偏振角为45°，可由偏振片和λ/2波片调整得到，该偏振光经第一偏振分光镜被分成两束：即P偏振光和S偏振光。P偏振光经过第一λ/4波片后变成圆偏振光被发送至固定镜，S偏振光经第二λ/4波片后变成圆偏振光被发送至移动镜。P偏振光经过固定镜反射后通过第一λ/4波片和第一偏振分光镜成为圆偏振光，S偏振光经过移动镜反射后通过第二λ/4波片和第一偏振分光镜成为圆偏振光。两个圆偏振光经过第三λ/4波片成为线性偏振光，该线性偏振光经过第一液晶调制器、第二液晶调制器后，通过第二偏振分光镜被分成两束正交的线性偏振光P光和S光，由第一光电探测器和第二光电探测器探测其光强IT和IR，改变2个液晶调制器的相位延迟量，再由2个光电探测器探测其光强IT’和IR’。
2.根据权利要求1所述的一种基于合成干涉信号偏振态检测技术的纳米测量系统，其特征在于该纳米测量系统由激光干涉单元和偏振态检测单元两部分组成。激光干涉单元的出射光作为偏振态检测单元的入射光，而激光干涉单元的出射光为随着移动镜移动而旋转的线性偏振光。
3.根据权利要求1所述的一种基于合成干涉信号偏振态检测技术的纳米测量系统，其特征在于该系统的激光干涉单元由激光源、偏振片、λ/2波片、第一偏振分光镜、第一λ/4波片、固定镜、第二λ/4波片、移动镜、第三λ/4波片组成。激光干涉单元出射偏振光的方位角θ和移动镜的位移量Δx成线性关系。
4.根据权利要求1所述的一种基于合成干涉信号偏振态检测技术的纳米测量系统，其特征在于该系统的偏振态检测单元由第一液晶调制器、第二液晶调制器、第二偏振分光镜、第一光电探测器、第二光电探测器组成。偏振态检测单元中的两个液晶调制器的相位延迟量由高压放大器输出幅值控制，其中第一液晶调制器的快轴选取在水平方向，第二液晶调制器的快轴与水平方向成45°。测量经过不同相位延迟下液晶调制器的偏振光光强，可以得到Stokes矢量、椭圆度角ε和方位角θ。由此可以得到移动镜的位移量Δx。
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