CN108225733A - 一种用于测量干涉镜组热漂移系数的测量系统和方法 - Google Patents

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付海金
吴国龙
胡鹏程
丁雪梅
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明提供一种用于测量激光干涉镜组热漂移系数的测试系统，包括：真空腔、热辐射结构、隔热基板、热辐射器、激光干涉镜组、薄膜式温度传感器、真空法兰盘、真空阀、真空管、真空泵、热辐射器控制系统、温度采集系统、光学窗、导光原件、激光器、光电探测器和位移测量系统、气压传感器和气压表，该系统可以有效地解决空气折射率误差干扰激光干涉镜组热漂移系数测量的问题。另外，本发明还提供的一种用于测量激光干涉镜组热漂移系数的测试方法，该方法解决了热传递过程中激光干涉镜组的几何尺寸以及光学特性的变化滞后于环境温度的变化产生测量时刻温度数值与漂移数值不同步导致测量的热漂移系数不精确的问题。

Description

一种用于测量干涉镜组热漂移系数的测量系统和方法
技术领域
本发明涉及干涉仪热性能测试领域，特别设计一种用于精确测量激光干涉镜组热漂移系数的测量系统和方法。
背景技术
激光干涉仪是一种非接触式的测量系统，用于测量精密的位移和角度。激光干涉仪具有测量精度高以及测量速度快等特点，已经广泛的被应用于精密工程、纳米技术和超精密装配领域中。随着激光干涉仪逐渐向工业现场的应用发展，在实际测量过程中被测目标大都是暴露在没有精确温度控制的空气环境中，而激光干涉仪中构成激光干涉镜组的光学镜组材料热特性的存在，会导致激光干涉仪测量结果中存在热漂移误差。根据构成激光干涉镜组的光学材料的热特性分析，这一误差最大可以达到微米每摄氏度的量级。因此温度的影响是影响激光干涉测量系统测量精度的主要因素，如何精确的测量出激光干涉镜组的热漂移系数并对其进行补偿具有重要意义。
在测定激光干涉镜组热漂移系数时，需要改变激光干涉镜组的温度。现有的改变激光干涉镜组温度的方式主要是利用气浴实现变温。2012年上海微电子装备有限公司提出的用于测量干涉仪热漂移系数的温控箱、测量系统和方法(王珍媛，张志平，吴萍，张晓文，池峰.用于测量干涉仪热漂移系数的温控箱、测量系统和方法[P].上海：CN102679865A，2012-09-19.)中，利用热对流的方式改变干涉镜组的温度，从而实现对干涉镜组热漂移系数的测量。但是这种方法最大的弊端是会引入空气折射率误差。变化的温度会改变空气的折射率，导致光程的变化引起测量误差。但是空气折射率的数值不仅仅受温度影响，还与其它环境因素有关，如气压，湿度，二氧化碳浓度等。因此，空气折射率的测量和补偿必须根据测量地点的环境参数进行实时测量和补偿。另外由于热传递过程中，激光干涉镜组的几何尺寸以及光学特性的变化滞后于环境温度的变化，因此该专利中描述的测量方法可能出现测量时刻温度数值与漂移数值不同步导致测量的热漂移系数不精确的问题。
发明内容
本发明提供一种用于测量干涉镜组热漂移系数的测量系统，该系统采用在真空中对激光干涉镜组热漂移系数测量，避免了空气折射率误差的影响，同时本发明还提供一种用于测量干涉镜组热漂移系数的测量方法，该方法采用在激光干涉镜组处于热平衡状态下进行测量，保证了测量时刻温度数值与漂移数值对应关系。
本发明提供一种用于测量激光干涉镜组热漂移系数的测试系统，其特征在于，包括：真空腔、真空法兰盘、热辐射器、热辐射结构、热辐射器控制系统、隔热基板、气压传感器、气压表、真空阀、真空气泵、真空管、薄膜式温度传感器、激光器、导光元件、光电探测器和位移测量系统；
所述的真空腔设置有光学窗，所述隔热基板置于所述真空腔内部底板中心处，所述热辐射结构置于所述隔热基板中心处，所述热辐射器置于热辐射结构的中心处，所述激光干涉镜组置于所述热辐射器的中心处；
所述真空法兰盘置于所述真空腔体内；
所述气压传感器置于所述真空腔体内部，所述气压表置于所述真空腔体外部，通过所述法兰盘与所述气压传感器相连接；
所述真空阀置于所述真空腔体内部，所述真空气泵置于真空腔外部，所述真空管用于连接所述真空气泵和所述真空阀；
所述热辐射器控制系统置于所述真空腔外部，通过所述法兰盘进行于所述热辐射器连接，用于控制热辐射器；
所述薄膜式温度传感器置于所述真空腔内，所述薄膜式温度传感器用于测量激光干涉镜组的温度，所述温度采集系统用于采集所述薄膜式温度传感器所测得的温度，并且所述薄膜式温度传感器及所述温度采集系统与所述热辐射器控制系统相连接构成闭环控制系统；
所述激光器发出激光，经过所述导光元件调整传输方向后，穿过所述光学窗和所述热辐射结构进入激光干涉镜组，然后被激光干涉镜组中的反射镜反射后，再依次穿过激光干涉镜组、所述热辐射结构和光学窗，最后被所述光电探测器接收，所述光电探测器将采集到的光学信号转化成电信号并将电信号传送至所述位移测量系统进行数据处理测得温度引起的位移变化。
可选的，所述真空腔的材料为不锈钢。
可选的，所述光学窗的材料为石英玻璃。
可选的，所述石英玻璃的线热膨胀系数小于等于5.3×10-7/℃。
可选的，所述石英玻璃的折射率温度系数小于等于-0.54×10-5/℃。
可选的，所述石英玻璃双面的平行度小于或等于0.1μm。
可选的，所述石英玻璃镀有抗反射膜。
可选的，所述隔热基板的线热膨胀系数小于或等于2.9×10-6/℃。
可选的，所述隔热基板的导热系数小于或等于0.049W/mK。
可选的，所述隔热基板的平行度为0.1μm。
可选的，所述热辐射结构由多层材料构成。
可选的，所述热辐射器可以向外辐射热量和吸收热量。
可选的，所述薄膜式温度传感器测量精度小于或等于0.001℃。
本发明还提供一种用于精确测量激光干涉镜组热漂移系数的测试方法，包括：提供如上所述的用于测量激光干涉镜组热漂移系数的测试系统；所述真空气泵将所述真空腔内气体排出；设置所述热辐射器控制系统的目标温度T1；激光器发出激光；当所述温度采集系统输出的激光干涉镜组温度值达到T1并稳定，且所述位移测量系统输出的位移值恒定，记录此时的温度T1和位移值D1；改变所述热辐射器控制系统的目标温度，直至测量到第n(n≥5)组数据(Tn，Dn)；对上述n 组数据进行线性拟合，得到拟合公式D＝a*T+b；其中上述n值越大，拟合精度越高；拟合公式中的斜率值a(nm/℃)即为所测激光干涉镜组的热漂移系数。
可选的，在所述的一种用于精确测量激光干涉镜组热漂移系数的测试方法中，所述第n组的温度Tn比所述第1组数据的温度T1至少高或低1℃。
可选的，在所述的一种用于精确测量激光干涉镜组热漂移系数的测试方法中，所述n组的温度值为等差升高或降低。
附图说明
图1是本发明实施例一的用于测量干涉镜组热漂移系数的测量系统的示意图。

Claims (16)

1.一种用于测量激光干涉镜组热漂移系数的测试系统，其特征在于，包括：真空腔、热辐射结构、隔热基板、热辐射器、激光干涉镜组、薄膜式温度传感器、真空法兰盘、真空阀、真空管、真空泵、热辐射器控制系统、温度采集系统、光学窗、导光原件、激光器、光电探测器和位移测量系统、气压传感器和气压表；
所述真空腔设置有光学窗，所述隔热基板置于所述真空腔内部底板中心处，所述热辐射结构置于所述隔热基板中心处，所述热辐射器置于热辐射结构的中心处，所述激光干涉镜组置于所述热辐射器的中心处；
所述真空法兰盘置于所述真空腔体内；
所述气压传感器置于所述真空腔体内部，所述气压表置于所述真空腔体外部，通过所述法兰盘与所述气压传感器相连接；
所述真空阀置于所述真空腔体内部，所述真空气泵置于真空腔外部，所述真空管用于连接所述真空气泵和所述真空阀；
所述热辐射器控制系统置于所述真空腔外部，通过所述法兰盘连接所述热辐射器连接，用于控制热辐射器；
所述薄膜式温度传感器置于所述真空腔内，所述薄膜式温度传感器用于测量激光干涉镜组的温度，所述温度采集系统用于采集所述薄膜式温度传感器所测得的温度，并且所述薄膜式温度传感器及所述温度采集系统与所述热辐射器控制系统相连接构成闭环控制系统；
所述激光器发出激光，经过所述导光元件调整传输方向后，穿过所述光学窗和所述热辐射结构进入激光干涉镜组，然后被激光干涉镜组中的反射镜反射后，再依次穿过激光干涉镜组、所述热辐射结构和光学窗，最后被所述光电探测器接收，所述光电探测器将采集到的光学信号转化成电信号并将电信号传送至所述位移测量系统进行数据处理测得温度引起的位移变化。
2.如权利要求1所述的用于测量激光干涉镜组热漂移系数的测试系统，其特征在于，所述真空腔的材料为不锈钢。
3.如权利要求1所述的用于测量激光干涉镜组热漂移系数的测试系统，其特征在于，所述光学窗的材料为石英玻璃。
4.如权利要求3所述的用于测量激光干涉镜组热漂移系数的测试系统，其特征在于，所述石英玻璃的线热膨胀系数小于等于5.3×10-7/℃。
5.如权利要求3所述的用于测量激光干涉镜组热漂移系数的测试系统，其特征在于，所述石英玻璃的折射率温度系数小于等于-0.54×10-5/℃。
6.如权利要求3所述的用于测量激光干涉镜组热漂移系数的测试系统，其特征在于，所述石英玻璃双面的平行度小于或等于0.1μm。
7.如权利要求3所述的用于测量激光干涉镜组热漂移系数的测试系统，其特征在于，所述石英玻璃镀有抗反射膜。
8.如权利要求1所述的用于测量激光干涉镜组热漂移系数的测试系统，其特征在于，所述隔热基板的线热膨胀系数小于或等于2.9×10-6/℃。
9.如权利要求1所述的用于测量激光干涉镜组热漂移系数的测试系统，其特征在于，所述隔热基板的导热系数小于或等于0.049W/mK。
10.如权利要求1所述的用于测量激光干涉镜组热漂移系数的测试系统，其特征在于，所述隔热基板的平行度为0.1μm。
11.如权利要求1所述的用于测量激光干涉镜组热漂移系数的测试系统，其特征在于，所述热辐射结构由多层材料构成。
12.如权利要求1所述的用于测量激光干涉镜组热漂移系数的测试系统，其特征在于，所述热辐射器可以向外辐射热量和吸收热量。
13.如权利要求1所述的用于测量激光干涉镜组热漂移系数的测试系统，其特征在于，所述薄膜式温度传感器测量精度小于或等于0.001℃。
14.一种用于测量激光干涉镜组热漂移系数的测试方法，其特征在于，包括：
提供如权利要求1所述的用于测量激光干涉镜组热漂移系数测试系统；
真空气泵将真空罐内空气完全排除，关闭真空阀；
设置所述热辐射器控制系统的目标温度T1；
激光器发出激光；
当温度采集系统输出的激光干涉镜组温度值达到T1并稳定，且位移测量系统输出的位移值恒定，记录此时的温度T1和位移值D1；
改变热辐射器控制系统的目标温度，直至测量到第n(n≥5)组数据(Tn，Dn)；
对上述n组数据进行线性拟合，得到拟合公式D＝a*T+b；
其中上述n值越大，拟合精度越高；
拟合公式中的斜率值a(nm/℃)即为所测激光干涉镜组的热漂移系数。
15.如权利要求14所述的一种用于测量激光干涉镜组热漂移系数的测试方法，其特征在于，所述第n组的温度Tn比所述第一组数据的温度T1至少高或低1℃。
16.如权利要求14所述的一种用于测量激光干涉镜组热漂移系数的测试方法，其特征在于，所述n组的温度值为等差升高。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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