CN112146563B

CN112146563B - 一种激光干涉仪

Info

Publication number: CN112146563B
Application number: CN202011053058.4A
Authority: CN
Inventors: 苏炎; 李昱; 陈居凯
Original assignee: Suzhou Zhongwei Photoelectric Co ltd
Current assignee: Suzhou Zhongwei Photoelectric Co ltd
Priority date: 2020-09-29
Filing date: 2020-09-29
Publication date: 2022-04-15
Anticipated expiration: 2040-09-29
Also published as: CN112146563A

Abstract

本发明提供一种激光干涉仪，包括激光发生器、调整装置、第一分光镜、第一角锥反射镜、第二角锥反射镜、第二分光镜、压缩透镜、接收器、检测装置；第一分光镜为偏振分光镜包括基层和膜系，膜系结构包括三个膜堆均由非四分之一波长光学厚度的高折射率膜层和低折射率膜层交替堆叠；激光发生器发出的激光经调整装置后进入第一分光镜，第一分光镜将激光分为参考光和测量光，参考光反射后出射，测量光反射后出射，两束光经第一分光镜反射后汇合成集合光束，进入第二分光镜；集合光束经第二分光镜分成第一分光束和第二分光束，第一分光束传送至接收器用于位置测量，第二分光束投影到检测装置用来观测参考光斑和测量光斑的重合度。

Description

一种激光干涉仪

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种激光干涉仪。

背景技术

激光具有高强度、高度方向性、空间同调性、窄带宽和高度单色性等优点。目前常用来测量长度的干涉仪，主要是以迈克尔逊干涉仪为主，并以稳频氦氖激光为光源，构成一个具有干涉作用的测量系统。激光干涉仪可配合各种折射镜、反射镜等来作线性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等测量工作，并可作为精密工具机或测量仪器的校正工作。

而应用在测量装置用的分光片通常采用偏振分光镜，现有技术中，偏振分光镜的都是由1/4光学厚度的高低折射率介质膜层交替堆叠。对于滤光片，中心波长定义为带通滤光片宽带的中心，宽带位置定义常为透过率峰值下降50％处的宽带，也可以定位为峰值下降90％处的宽带。对于非带通滤光片，可以定义使用的波长范围的中心，为中心波长。

偏振分光镜的基础膜系通常为(HL)^m，可以采用常规的短波通的基础膜系结构或者长波通的基础膜系结构，但只能实现4％的中心波长范围的偏振分离。而采用的长波通和短波通膜系迭加的方式可以实现8％的中心波长范围的偏振分离。但现有技术中还没有偏振分光镜能够实现10％的中心波长范围的偏振分离。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种激光干涉仪。

本发明的技术方案概述如下：

本发明提供一种激光干涉仪，包括激光发生器、调整装置、第一分光镜、第一角锥反射镜、第二角锥反射镜、第二分光镜、压缩透镜、接收器、检测装置；

其中，第一分光镜为偏振分光镜，所述偏振分光镜包括基层和堆叠在基层上的膜系，所述膜系的膜系结构包括第一膜堆、第二膜堆及第三膜堆，每个所述膜堆均由非四分之一波长光学厚度的高折射率膜层和低折射率膜层交替堆叠；所述第一膜堆与第三膜堆的顺序可调换；

所述激光发生器发出的激光经调整装置后进入所述第一分光镜，所述第一分光镜将激光分为参考光和测量光，参考光经所述第一角锥反射镜反射后出射，测量光经第二角锥反射镜反射后出射，两束光经所述第一分光镜反射后汇合成集合光束，进入第二分光镜；集合光束经所述第二分光镜分成第一分光束和第二分光束，第一分光束经所述压缩透镜压缩后传送至所述接收器，用于位置测量，第二分光束投影到所述检测装置，用来观测参考光斑和测量光斑的重合度，根据参考光斑和测量光斑调整所述调整装置。

进一步地，第一膜堆采用(aHbL)^m的初始结构；第二膜堆采用((aHbL)^p(cHdL)^q)^r的初始结构；第三膜堆采用(cHdL)^n；

或，第一膜堆采用(cHdL)^n的初始结构；第二膜堆采用((aHbL)^p(cHdL)^q)^r的初始结构；第三膜堆采用(aHbL)^m；

或，第一膜堆采用(aHbL)^m的初始结构；第二膜堆采用((cHdL)^q(aHbL)^p)^r的初始结构；第三膜堆采用(cHdL)^n；

或，第一膜堆采用(cHdL)^n的初始结构；第二膜堆采用((cHdL)^q(aHbL)^p)^r的初始结构；第三膜堆采用(aHbL)^m；

其中，m为aHbL的序列重复交替堆叠的组数，r为(aHbL)^p(cHdL)^q的序列重复交替堆叠的组数，p为第二膜堆中aHbL的序列重复交替堆叠的组数，q为第二膜堆中cHdL的序列重复交替堆叠的组数，n为cHdL的序列重复交替堆叠的组数；

H表示四分之一中心波长光学厚度的高折射率膜层，L表示四分之一中心波长光学厚度的低折射率膜层；a、b、c、d为四分之一中心波长光学厚度系数。

进一步地，所述四分之一中心波长光学厚度系数a和b所在的范围为0.8至0.96，a和b为相等或不相等。

进一步地，m、p、q、r均大于1。

进一步地，所述四分之一中心波长光学厚度系数c和d所在的范围为1.04至1.2，c和d为相等或不相等。

进一步地，所述高折射率膜层的材料为Ta2O5、Nb2O5、TiO2中的至少之一，所述高折射率膜层的折射率在1550nm的范围为1.85至2.5。

进一步地，所述低折射率膜层的材料为SiO2、Al2O3、MgF2中的至少之一，所述低折射率膜层的折射率在1550nm的范围为1.38至1.6。

进一步地，所述基层为二氧化硅材料或硅材料基片，基层的折射率在1550nm的范围为1.45至3.5。

进一步地，所述第一分光镜的P偏振的透过率大于等于百分之九十的波段范围的宽度大于等于中心波长的百分之十，或P偏振的半峰全宽大于等于中心波长的百分之十。

进一步地，所述第一分光镜的S偏振的的透过率小于百分之十的波段范围大于中心波长的百分之十。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明提供的一种激光干涉仪，使用超宽带的偏振分光镜，采用三个膜堆组成膜系结构，每个膜堆均由非四分之一波长光学厚度的高折射率膜层和低折射率膜层交替堆叠，结合了传统基于长短波通迭加的偏振分光的优点，将偏振分光的范围由百分之八的中心波长范围扩展到百分之十的中心波长，使得在大角度的应用下，有更好的偏振分离，更好的耦合效率，更宽的透射带宽，更好的角度容差，能极大提升激光干涉仪的应用性能。同时，该激光干涉仪通过参考光斑和测量光斑的重合度来调整调整装置，提高了光路对准的准确度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一种激光干涉仪的示意图；

图2为本发明中的第一分光镜的示意图；

图3为本发明中的第一分光镜的实施例一的波长与透过率的关系图；

图4为本发明中的第一分光镜的实施例一中每层厚度的柱状图形；

图5为本发明中的第一分光镜与常规的偏振分光镜的实施例二的波长与透过率的关系对比图；

图6为本发明中的第一分光镜的实施例二中每层厚度的柱状图形。

附图标记：10、第一分光镜；1、基层；2、高折射率膜层；3、低折射率膜层；20、激光发生器；31、第一角锥反射镜；32、第二角锥反射镜；40、第二分光镜；61、压缩透镜；62、光纤；63、接收器；50、检测装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，本发明的前述和其它目的、特征、方面和优点将变得更加明显，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。在附图中，为清晰起见，可对形状和尺寸进行放大，并将在所有图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。在下列描述中，诸如中心、厚度、高度、长度、前部、背部、后部、左边、右边、顶部、底部、上部、下部等用词为基于附图所示的方位或位置关系。特别地，“高度”相当于从顶部到底部的尺寸，“宽度”相当于从左边到右边的尺寸，“深度”相当于从前到后的尺寸。这些相对术语是为了说明方便起见并且通常并不旨在需要具体取向。涉及附接、联接等的术语(例如，“连接”和“附接”)是指这些结构通过中间结构彼此直接或间接固定或附接的关系、以及可动或刚性附接或关系，除非以其他方式明确地说明。

接下来，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

光具有偏振态，如果光线的偏振矢量在这个平面内，则称为p-偏振，如果偏振矢量垂直于该平面，则称为s-偏振。任何一种输入偏振状态都可以表示为s和p分量的矢量和。当光以非垂直角度入射膜片的时候，光可以分解为P光和S光。由于偏振矢量的差异，P光和S光所对应的折射率会出现差异，会导致P光和S光的透过率出现分离。根据这一特性，将P光透，S光截止的薄膜叫做偏振分光镜。

膜层的厚度可以分为物理厚度，光学厚度两种描述方式。物理厚度指的是物理尺度上的厚度，如100nm等；光学厚度指的是光经过的路程，这涉及到材料的折射率以及光的波长QW＝(n*d)/λ,其中，n为光经过的材料的折射率，d为物理厚度，λ为光的波长。

偏振分光镜的基础膜系通常为(HL)^m，H常用于表示高折射率材料的1/4光学厚度，L常用于表示低折射率材料的1/4光学厚度。通过高低折射率材料相互叠加，通过不同的厚度比可以获得不同的光谱曲线。现有技术中，采用常规的短波通的基础膜系结构或者长波通的基础膜系结构，但只能实现4％的中心波长范围的偏振分离。而采用的长波通和短波通膜系迭加的方式可以实现8％的中心波长范围的偏振分离。但现有技术中还没有偏振分光镜能够实现10％的中心波长范围的偏振分离，更没有应用该偏振分光镜的激光干涉仪。本发明的目的就是提供一种运用能够实现10％的中心波长范围的偏振分离的偏振分光镜的激光干涉仪。

如图1所示，本发明提供一种激光干涉仪，包括激光发生器20、调整装置、第一分光镜10、第一角锥反射镜31、第二角锥反射镜32、第二分光镜40、压缩透镜61、接收器63、检测装置50。

其中，第一分光镜10为偏振分光镜，如图2所示，偏振分光镜包括基层1和堆叠在基层1上的膜系，膜系的膜系结构包括三个膜堆，三个膜堆包括第一膜堆、第二膜堆及第三膜堆，每个膜堆均由非四分之一波长光学厚度的高折射率膜层2和低折射率膜层3交替堆叠；所述第一膜堆与第三膜堆的顺序可调换。

初始的膜系结构采用三组膜堆，具体地，初始的膜系结构为：(aHbL)^m((aHbL)^p(cHdL)^q)^r(cHdL)^n。

其中，m为aHbL的序列重复交替堆叠的组数，r为(aHbL)^p(cHdL)^q的序列重复交替堆叠的组数，p为第二膜堆中aHbL的序列重复交替堆叠的组数，q为第二膜堆中cHdL的序列重复交替堆叠的组数，n为cHdL的序列重复交替堆叠的组数。

其中，第一膜堆与第二膜堆的顺序可调换，即(aHbL)^m与(cHdL)^n位置可调；或者，(aHbL)^p与(cHdL)^q位置可调。

因此，第一膜堆采用(aHbL)^m的初始结构；第二膜堆采用((aHbL)^p(cHdL)^q)^r的初始结构；第三膜堆采用(cHdL)^n。

或者，第一膜堆采用(cHdL)^n的初始结构；第二膜堆采用((aHbL)^p(cHdL)^q)^r的初始结构；第三膜堆采用(aHbL)^m。

或者，第一膜堆采用(aHbL)^m的初始结构；第二膜堆采用((cHdL)^q(aHbL)^p)^r的初始结构；第三膜堆采用(cHdL)^n。

或者，第一膜堆采用(cHdL)^n的初始结构；第二膜堆采用((cHdL)^q(aHbL)^p)^r的初始结构；第三膜堆采用(aHbL)^m。

其中，第一膜堆采用(aHbL)^m的初始结构；第二膜堆采用((aHbL)^p(cHdL)^q)^r的初始结构；第三膜堆采用(cHdL)^n，可以理解为，堆叠在基层1上的膜系结构具体为aHbL序列先堆叠m组；再以(aHbL)^p(cHdL)^q序列堆叠r组，其中每组(aHbL)^p(cHdL)^q具体为先以aHbL序列堆叠p组，再以cHdL堆叠q组；最后，以cHdL序列堆叠m组。

具体地，四分之一中心波长光学厚度系数a和b所在的范围为0.8至0.96，a和b为相等或不相等。四分之一中心波长光学厚度系数c和d所在的范围为1.04至1.2，c和d为相等或不相等。

可以理解为，aHbL中的aH为高折射率膜层的光学厚度为a个四分之一中心波长光学厚度，例如0.8H表示0.8个四分之一中心波长光学厚度，bL为低折射率膜层的光学厚度为b个四分之一中心波长光学厚度。

m、p、q、r均大于1，表示每一层膜堆中的序列中的堆叠层数大于一层。

高折射率膜层的材料为Ta₂O₅、Nb₂O₅、TiO₂中的至少之一，即高折射率膜层的材料为Ta₂O₅、Nb₂O₅、TiO₂中其中之一，或任意两种及两种以上的混合物。高折射率膜层的折射率在1550nm的范围为1.85至2.5。

低折射率膜层的材料为SiO₂、Al₂O₃、MgF₂中的至少之一，低折射率膜层的材料为SiO₂、Al₂O₃、MgF₂中其中之一，或任意两种及两种以上的混合物。低折射率膜层的折射率在1550nm的范围为1.38至1.6。

基层为二氧化硅材料或硅材料基片，基层的折射率在1550nm的范围为1.45至3.5。优选地，基层材料为普通的K9光学玻璃。

在实际研发中，采用Macleod软件对膜系结构进行优化，得到实际需要的膜系结构。

偏振分光镜的P偏振的透过率大于等于百分之九十的波段范围大于等于中心波长的百分之十，或P偏振的半峰全宽大于等于中心波长的百分之十。

偏振分光镜的S偏振的的透过率小于百分之十的波段范围大于中心波长的百分之十。

激光发生器20发出的激光经调整装置后进入第一分光镜10，第一分光镜10将激光分为参考光和测量光，参考光经第一角锥反射镜31反射后出射，测量光经第二角锥反射镜32反射后出射，两束光经第一分光镜10反射后汇合成集合光束，进入第二分光镜40；集合光束经第二分光镜40分成第一分光束和第二分光束，第一分光束经压缩透镜61压缩后传送至接收器63，用于位置测量，第二分光束投影到检测装置50，用来观测参考光斑和测量光斑的重合度，根据参考光斑和测量光斑调整下调整装置。根据检测装置50来观测到的参考光斑和测量光斑的重合度，调整下调整装置，使参考光斑和测量光斑的重合度更高，以提高光路对准的准确度，提高位置测量的精度。

本发明提供的一种激光干涉仪，使用超宽带的偏振分光镜，采用三个膜堆组成膜系结构，每个膜堆均由非四分之一波长光学厚度的高折射率膜层和低折射率膜层交替堆叠，结合了传统基于长短波通迭加的偏振分光的优点，将偏振分光的范围由百分之八的中心波长范围扩展到百分之十的中心波长，使得在大角度的应用下，有更好的偏振分离，更好的耦合效率，更宽的透射带宽，更好的角度容差，能极大提升激光干涉仪的应用性能。同时，该激光干涉仪通过参考光斑和测量光斑的重合度来调整调整装置，提高了光路对准的准确度，提高位置测量的精度。

偏振分光镜具有两个实施例，具体实施例1：

本实施例为的其中一种超宽带的偏振分光镜，其特征波长为950nm，其所对应45度入射角的1/4光学厚度的Ta2O5的物理厚度为121.07nm；SiO2的物理厚度为178.54nm。

入射角度	45°
		中心波长	950
波段范围	950+/-50
		P偏振透射波段透过率	≥90％
S偏振透射波段透过率	≤2％

表1实施例一的超宽带的偏振分光镜指标

其膜系结构经过初始三种膜堆结构(aHbL)^m((aHbL)^p(cHdL)^q)^r)(cHdL)^n，其中：a为0.85，b为0.85，m为35，c为1.15，d为1.15，p为5，r为4，n为35。

即0.85(HL)^35((1.15(HL)^5 0.85(HL)^5)^4)1.15(HL)^35

采用Macleod软件对膜系结构进行优化，优化后包含220层由两种材料堆叠而成的膜系。其中堆叠的层次顺序和每一层膜厚的控制方式如下表2所示：

表2实施例一的膜系结构

参考图4的柱状图形，可以看到每层膜系厚度的。

高折射率膜层的材料为Ta2O5，在1550nm附近的折射率为2.108。

低折射率膜层的材料为SiO2，在1550nm附近的折射率为1.477。

基底材料为普通的K9光学玻璃，折射率为1.52。

实施例一得到的偏振分光镜的性能参考图3，其中心波长的百分之十为95纳米，偏振分光镜的P偏振的透过率大于等于百分之九十的波段范围为900-1000，其波段范围的宽度为100纳米，大于中心波长的百分之十(95纳米)。或者，P偏振的半峰全宽大于等于中心波长的百分之十。参考图3，P偏振的半峰全宽，偏振分光镜的P偏振的透过率大于等于百分之九十的波段范围的宽度为100纳米，大于中心波长的百分之十(95纳米)。

实施例2：

本实施例为的其中一种超宽带的偏振分光镜，其特征波长为950nm,其所对应45度入射角的1/4光学厚度的Ta₂O₅的物理厚度为121.07nm；SiO₂的物理厚度为178.54nm。

表3实施例二的超宽带的偏振分光镜指标

其膜系结构经过初始三种膜堆结构(aHbL)^m((cHdL)^q(aHbL)^p)^r)(cHdL)^n，其中：a为1.2，b为1.2，m为35，c为0.8，d为0.8，p为5，r为4，n为35。

即1.2(HL)^35((1.2(HL)^5 0.8(HL)^5)^4)0.8(HL)^35

采用Macleod软件对膜系结构进行优化，优化后包含220层由两种材料堆叠而成的膜系。其中堆叠的层次顺序和每一层膜厚的控制方式如下表4所示：

表4实施例二的膜系结构

参考图6的柱状图形，可以看到每层膜系厚度的。

高折射率膜层的材料为Ta2O5，在1550nm附近的折射率为2.108。

低折射率膜层的材料为SiO2，在1550nm附近的折射率为1.477。

基底材料为普通的K9光学玻璃，折射率为1.52。

实施例二得到的偏振分光镜的性能参考图5，图5中实线代表本发明提供的超宽带的偏振分光镜，虚线代表现有技术中，常规的超宽带的偏振分光镜。

从图5可以看出，其中心波长的百分之十为95纳米，偏振分光镜的P偏振的透过率大于等于百分之九十的波段范围为900-1000，其波段范围的宽度为100纳米，大于中心波长的百分之十(95纳米)。或者，P偏振的半峰全宽大于等于中心波长的百分之十。参考图5，P偏振的半峰全宽，偏振分光镜的P偏振的透过率大于等于百分之九十的波段范围的宽度为100纳米，大于中心波长的百分之十(95纳米)。

而常规的超宽带的偏振分光镜的P偏振的透过率大于等于百分之九十的波段范围的宽度，大约大于中心波长的百分之四至百分之八。可见，本发明提供的超宽带的偏振分光镜能够实现10％的中心波长范围的偏振分离，比常规的偏振分光镜能够实现更宽的透射带宽。

本发明提供的一种激光干涉仪，使用超宽带的偏振分光镜，采用三个膜堆组成膜系结构，每个膜堆均由非四分之一波长光学厚度的高折射率膜层2和低折射率膜层3交替堆叠，结合了传统基于长短波通迭加的偏振分光的优点，将偏振分光的范围由百分之八的中心波长范围扩展到百分之十的中心波长，使得在大角度的应用下，有更好的偏振分离，更好的耦合效率，更宽的透射带宽，更好的角度容差，能极大提升激光干涉仪的应用性能。同时，该激光干涉仪通过参考光斑和测量光斑的重合度来调整调整装置，提高了光路对准的准确度。

需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims

1.一种激光干涉仪，其特征在于，包括激光发生器、调整装置、第一分光镜、第一角锥反射镜、第二角锥反射镜、第二分光镜、压缩透镜、接收器、检测装置；

其中，第一分光镜为偏振分光镜，所述偏振分光镜包括基层和堆叠在基层上的膜系，所述膜系的膜系结构包括第一膜堆、第二膜堆及第三膜堆，每个所述膜堆均由非四分之一波长光学厚度的高折射率膜层和低折射率膜层交替堆叠；所述第一膜堆与第三膜堆的顺序可调换；第一膜堆采用(aHbL)^m的初始结构；第二膜堆采用((aHbL)^p(cHdL)^q)^r的初始结构；第三膜堆采用(cHdL)^n；

H表示四分之一中心波长光学厚度的高折射率膜层，L表示四分之一中心波长光学厚度的低折射率膜层；a、b、c、d为四分之一中心波长光学厚度系数；

2.如权利要求1的激光干涉仪，其特征在于，所述四分之一中心波长光学厚度系数a和b所在的范围为0.8至0.96，a和b为相等或不相等。

3.如权利要求1的激光干涉仪，其特征在于，m、p、q、r均大于1。

4.如权利要求1的激光干涉仪，其特征在于，所述四分之一中心波长光学厚度系数c和d所在的范围为1.04至1.2，c和d为相等或不相等。

5.如权利要求1的激光干涉仪，其特征在于，所述高折射率膜层的材料为Ta2O5、Nb2O5、TiO2中的至少之一，所述高折射率膜层的折射率在1550nm的范围为1.85至2.5。

6.如权利要求1的激光干涉仪，其特征在于，所述低折射率膜层的材料为SiO2、Al2O3、MgF2中的至少之一，所述低折射率膜层的折射率在1550nm的范围为1.38至1.6。

7.如权利要求1的激光干涉仪，其特征在于，所述基层为二氧化硅材料或硅材料基片，基层的折射率在1550nm的范围为1.45至3.5。

8.如权利要求1的激光干涉仪，其特征在于，所述第一分光镜的P偏振的透过率大于等于百分之九十的波段范围的宽度大于等于中心波长的百分之十，或P偏振的半峰全宽大于等于中心波长的百分之十。

9.如权利要求5的激光干涉仪，其特征在于，所述第一分光镜的S偏振的的透过率小于百分之十的波段范围大于中心波长的百分之十。