CN112985623B - 一种基于测量光路多重反射的相位调制双零差干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于测量光路多重反射的相位调制双零差干涉仪，通过多个分光器件将光路分为参考干涉光路与测量干涉光路两部分，并通过电光调制使得体现两路信号光程差的相位变化可以直接观测，其中在测量光路中采用光程倍增结构，使得入射到光程倍增结构中的光束在光程倍增结构中反射多次后原路返回。本发明所提供的干涉仪不需要用到双频激光器和偏振分光镜就能达到类似于外差干涉的效果，从而使得非线性误差大大减小，并且在测量光路中采用两个平面反射镜多次反射光路可以达到多倍光学细分的作用，从而使得干涉仪的分辨率大大增加。
Description
技术领域
本发明涉及激光干涉的精密测量领域，特别是一种基于测量光路多重反射的相位调制双零差干涉仪。
背景技术
激光干涉仪具有高精度、测量速度快、测量范围大、非接触测量以及米溯源性等优点，因此广泛运用于生物工程、纳米科学与技术、现代机械加工、先进光学器件以及微电子集成电路制造等领域。研制出能实现纳米精度以及更高精度的测量装置成为本领域技术人员研究的重点。
当前商用的激光干涉仪有零差（单频）激光干涉仪与外差（双频）激光干涉仪两大类型。对于外差干涉仪，其位移信息是由双频波拍频信号的相位所携带的，外差干涉仪具有很高的信噪比且对光束强度的变化不敏感，但由于频率混合、偏振混合以及光源非正交等原因，容易导致较大的非线性误差。零差干涉仪具有结构简单、动态范围大、非线性误差小等优点，但是零差干涉仪易受激光功率漂移的影响。
另外市面上的激光干涉仪绝大部分采用了偏振分光棱镜，而偏振分光镜偏振泄露会导致非线性误差，另外最终非正交干涉信号也会导致非线性误差。
由于光路结构导致的误差与体积的原因，很难搭建超过4倍光学细分的光路。现市面上的激光干涉仪基本上未采用多倍光学细分的结构，而是采用电子细分较多。
现有技术中的以上情况极大的限制了激光干涉仪的分辨率，市面上的激光干涉仪最高分辨力普遍只能达到0.1nm。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种基于测量光路多重反射的相位调制双零差干涉仪。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案如下：
基于测量光路多重反射的相位调制双零差干涉仪，包括单频激光器、法拉第隔离器、消偏振分光棱镜、半波片、相位调制单元、角锥棱镜、平面反射镜、光程倍增结构和光电探测器。
单频激光器输出x方向的线偏振光，法拉第隔离器将单频激光器输出的x方向的线偏振光偏转45°，法拉第隔离器输出的光束经第一消偏振分光棱镜分为具有相同偏振态的第一光束和第二光束；第一光束经第一半波片后成为y方向线偏光，再经过第二消偏振分光棱镜分为具有相同偏振态的第三光束和第四光束；第三光束输入到相位调制单元进行相位调制后经角锥棱镜全反射到第三消偏振分光棱镜处分为具有相同偏振态的第五光束和第六光束；第五光束经第一平面反射镜反射到第四消偏振分光棱镜后的反射光与第四光束经第四消偏振分光棱镜后的透射光发生干涉，并由第一光电探测器探测采集。第二光束经过第五消偏振分光棱镜后透射出的第七光束进入光程倍增结构，进入光程倍增结构的第七光束在光程倍增结构中反射多次后沿原路返回并第二次经过第五消偏振分光棱镜，从光程倍增结构返回的第七光束经过第五消偏振分光棱镜后反射出第八光束；第八光束经第二平面反射镜与第二半波片后成为y方向线偏光，第二半波片输出的光束经过第一消偏振分光棱镜后的透射光与第六光束经过第一消偏振分光棱镜的反射光发生干涉，并由第二光电探测器探测采集。
进一步地，本发明中的相位调制单元为电光晶体，电光晶体如铌酸锂晶体，化学式为LiNbO 3。考虑到LiNbO 3晶体的电光系数
，因此选择y方向线偏振光入射LiNbO 3晶体，以便用更小的电压实现相位变化。采用电光晶体对光束进行相位调制，采用横向电光调制对电光晶体施加一个随时间周期性变化的电压V(t)，使得调制相位在
到
区间内周期性变化。或者所述相位调制单元包括压电陶瓷，压电陶瓷连接所述角锥棱镜，通过控制压电陶瓷实现角锥棱镜周期性位移变化，达到相位调制的效果。
进一步地，所述光程倍增结构包括两块相对设置且具有一定倾角的平面反射镜，其中一块平面反射镜连接有驱动机构，驱动机构如压电陶瓷，采用驱动机构使其产生实现沿法线方向的微小位移。所述微小位移为纳米量级以及纳米量级以下的更小位移。本发明可测量的微小位移能达到皮米量级。进一步地，要求进入光程倍增结构的第七光束的入射角与光程倍增结构其两平面反射镜间的倾角的比值为一个整数N，2N+1为第七光束在光程倍增结构其两平面反射镜间的总反射次数。
第一光电探测器与第二光电探测器的输出是相位周期性变化的余弦函数信号。光程倍增结构中的一块平面反射镜发生微小位移，通过观测第一光电探测器与第二光电探测器的输出信号交流成份的相位差变化，能够测量微小位移产生的光程差，进而测量微小位移。
相对于现有技术，本发明能够获得以下技术效果：
本发明通过多个分光器件将光路分为参考干涉光路与测量干涉光路两部分，并通过电光调制使得体现两路信号光程差的相位变化可以直接观测，其中在测量光路中采用光程倍增结构，使得入射到光程倍增结构中的光束在光程倍增结构中反射多次后原路返回。本发明所提供的干涉仪不需要用到双频激光器和偏振分光镜就能达到类似于外差干涉的效果，从而使得非线性误差大大减小，并且在测量光路中采用两个平面反射镜多次反射光路可以达到多倍光学细分的作用，从而使得干涉仪的分辨率大大增加，能达到皮米量级。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明的总体结构框图；
图2为本发明光程倍增结构的设计原理图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，本实施例中的基于测量光路多重反射的相位调制双零差干涉仪，包括单频激光器1、法拉第隔离器2、第一消偏振分光棱镜3、第二消偏振分光棱镜4、第三消偏振分光棱镜5、第四消偏振分光棱镜6、第五消偏振分光棱镜7、第一半波片8、第二半波片9、电光晶体10、角锥棱镜11、第一平面反射镜12、第二平面反射镜13、光程倍增结构14、第一光电探测器15、第二光电探测器16。
单频激光器1输出x方向的线偏振光，法拉第隔离器2将单频激光器1输出的x方向的线偏振光偏转45°，法拉第隔离器2输出的光束经第一消偏振分光棱镜3分为具有相同偏振态的第一光束和第二光束。第一光束经第一半波片8后成为y方向线偏光，再经过第二消偏振分光棱镜4分为具有相同偏振态的第三光束和第四光束。第一半波片8的快轴与x方向呈-22.5°夹角，从而使入射到第一半波片的线偏振光偏振态偏转45°。第三光束输入到电光晶体10进行相位调制后经角锥棱镜11全反射到第三消偏振分光棱镜5处，分为具有相同偏振态的第五光束和第六光束；第五光束经第一平面反射镜12反射到第四消偏振分光棱镜6后的反射光与第四光束经第四消偏振分光棱镜6后的透射光发生干涉，并由第一光电探测器15探测采集。第二光束经过第五消偏振分光棱镜7后透射出的第七光束进入光程倍增结构14，进入光程倍增结构14的第七光束在光程倍增结构14中反射多次后沿原路返回并第二次经过第五消偏振分光棱镜7，从光程倍增结构14返回的第七光束经过第五消偏振分光棱镜7后反射出第八光束；第八光束经第二平面反射镜13与第二半波片9后成为y方向线偏光，第二半波片9输出的光束经过第一消偏振分光棱镜3后的透射光与第六光束经过第一消偏振分光棱镜3的反射光发生干涉，并由第二光电探测器16探测采集。第二半波片9的快轴与x方向呈-22.5°夹角，从而使入射到第二半波片的线偏振光偏振态偏转45°。
在图1所述的实例中，法拉第隔离器不仅仅为了使x方向的线偏光偏转45°，还起到隔离由光程倍增结构返回光束的作用，避免光束返回激光器对激光器造成影响。
在图1所示实例中采用的消偏振分光棱镜，该棱镜对光的偏振态影响较普通分光棱镜要小。
在图1所示实例中采用电光晶体对光束进行相位调制，也可以采用压电陶瓷对角锥棱镜进行周期性位移变化来达到相位调制的效果。
在图1所述的实例中，光程倍增结构14包括两块相对设置且具有一定倾角的平面反射镜，其中一块平面反射镜连接有驱动机构，采用驱动机构使其产生实现沿法线方向的微小位移。设光路倍增结构14中的两块平面反射镜分别为平面反射镜A和平面反射镜B。在光程倍增结构中，平面反射镜B背面设有压电陶瓷，平面反射镜B采用压电陶瓷使其产生实现沿法线方向的微小位移，在实际实施过程中可以采用其他更为精密的工作台控制平面反射镜B，使其产生实现沿法线方向的微小位移。
在图1所述的实例中，消偏振分光棱镜的摆放位置是为了尽量使得参考干涉光路与测量干涉光路形成干涉的两路光光强接近，以便达到较好的干涉效果，在实际实施过程中也可以用其他结构产生相似效果。
光程倍增结构中的平面反射镜B发生微小位移，通过观测第一光电探测器与第二光电探测器的输出信号交流成份的相位差变化，能够测量微小位移产生的光程差，进而测量微小位移。
设第一光电探测器探测采集到的参考干涉光路发生干涉的两路光初始光程差为
，第二光电探测器探测采集到的测量干涉光路发生干涉的两路光初始光程差为
；第一光电探测器与第二光电探测器输出的信号交流成份分别为
和
。它们的表达式如下：
设光路倍增结构中的两块平面反射镜分别为平面反射镜A和平面反射镜B，其中平面反射镜B能够发生微小位移。当光路倍增结构中的平面反射镜B发生微小位移时，第二光电探测器的输出信号的交流成份变为：
平面反射镜B发生微小位移后
和
的相位差为：
通过求相位差即可得到微小位移产生的光程差。
光程倍增结构的两平面反射镜间的倾角与进入光程倍增结构的第七光束的入射角的关系可以从图2推导出来。如图2所示，要想使光束进入光程倍增结构后沿原路返回，光束在光程倍增结构的两平面反射镜间单方向传播的最后一次反射必将与其中一块平面反射镜垂直。光程倍增结构的两平面反射镜之间的夹角为
，
为光程倍增结构的两平面反射镜法线间的夹角，因此可以得到：
又因为两直线平行内错角相等，因此：
又因为：
可以得到：
由此类推，可以得到进入光程倍增结构的第七光束的入射角
与光程倍增结构其两平面反射镜间的倾角
的关系，即：
2N+1为第七光束在光程倍增结构其两平面反射镜间的总反射次数。
要想求出光程倍增结构中平面反射镜B的微小位移变化需要预先完成一些工作；
首先，根据需要达到的精度选择合适的两平面反射镜倾角以及光束入射角。
第二步，计算出两平面反射镜在初始位置时光束在两平面反射镜间传播的光程。
第三步，使平面反射镜B沿法线方向步进一段微小位移
，并计算出平面反射镜B位置改变后光束在两平面反射镜间传播的光程。
第四步，不断被重复第三步的过程，直到平面反射镜B的位置在所需测量范围内有足够多的样本。
第五步，用第三步与第四步得到的光程减去第二步得到的光程，得到平面反射镜B发生微小位移导致的光程差
。
第六步，根据第五步得到的光程差
与第三步平面反射镜B移动的位移
，对两者的关系进行数据拟合得到函数：
最后，将拟合得到的函数带入光程差与相位差的表达式中得到：
这样就可以通过观测相位差的变化来求出微小位移。
本实施例中，采用差分迈克尔逊干涉仪结构，由参考零差干涉仪和测量零差干涉仪组成，并通过电光晶体对光束的相位进行调制，通过观测相位差的变化来测量微小位移，从而具有抗干扰能力强、对激光功率漂移不敏感、无需两个正交信号等优点。
光路结构中使用单频激光器就达到了类似外差干涉的效果，从而减小了非线性误差。光路结构中未采用偏振分光棱镜与偏振片等器件，减小了由偏振泄露导致的非线性误差。
光路结构中采用了具有一定倾角的两块平面反射镜来折叠光路，达到了多倍光学细分的效果，而且结构十分简单，入射角与反射镜倾角和反射次数关系式确定，可以大大增加激光干涉仪的分辨率，能达到皮米量级。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。
Claims (9)
1.一种基于测量光路多重反射的相位调制双零差干涉仪，其特征在于：包括单频激光器、法拉第隔离器、消偏振分光棱镜、半波片、相位调制单元、角锥棱镜、平面反射镜、光程倍增结构和光电探测器；其中所述光程倍增结构包括两块相对设置且具有一定倾角的平面反射镜，其中一块平面反射镜连接有驱动机构，采用驱动机构使其产生实现沿法线方向的微小位移；
单频激光器输出x方向的线偏振光，法拉第隔离器将单频激光器输出的x方向的线偏振光偏转45°，法拉第隔离器输出的光束经第一消偏振分光棱镜分为具有相同偏振态的第一光束和第二光束；第一光束经第一半波片后成为y方向线偏光，再经过第二消偏振分光棱镜分为具有相同偏振态的第三光束和第四光束；第三光束输入到相位调制单元进行相位调制后经角锥棱镜全反射到第三消偏振分光棱镜处，分为具有相同偏振态的第五光束和第六光束；第五光束经第一平面反射镜反射到第四消偏振分光棱镜后的反射光与第四光束经第四消偏振分光棱镜后的透射光发生干涉，并由第一光电探测器探测采集；第二光束经过第五消偏振分光棱镜后透射出的第七光束进入光程倍增结构，进入光程倍增结构的第七光束在光程倍增结构中反射多次后沿原路返回并第二次经过第五消偏振分光棱镜，从光程倍增结构返回的第七光束经过第五消偏振分光棱镜后反射出第八光束；第八光束经第二平面反射镜与第二半波片后成为y方向线偏光，第二半波片输出的光束经过第一消偏振分光棱镜后的透射光与第六光束经过第一消偏振分光棱镜的反射光发生干涉，并由第二光电探测器探测采集。
2.根据权利要求1所述的基于测量光路多重反射的相位调制双零差干涉仪，其特征在于：相位调制单元为电光晶体，采用电光晶体对光束进行相位调制，采用横向电光调制对电光晶体施加一个随时间周期性变化的电压V(t)，使得调制相位在
到
区间内周期性变化。
3.根据权利要求2所述的基于测量光路多重反射的相位调制双零差干涉仪，其特征在于：电光晶体为铌酸锂晶体。
4.根据权利要求1所述的基于测量光路多重反射的相位调制双零差干涉仪，其特征在于：所述相位调制单元包括压电陶瓷，压电陶瓷连接所述角锥棱镜，通过控制压电陶瓷实现角锥棱镜周期性位移变化。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于测量光路多重反射的相位调制双零差干涉仪，其特征在于：所述驱动机构为压电陶瓷。
6.根据权利要求1所述的基于测量光路多重反射的相位调制双零差干涉仪，其特征在于：进入光程倍增结构的第七光束的入射角与光程倍增结构其两平面反射镜间的倾角的比值为一个整数N，2N+1为第七光束在光程倍增结构其两平面反射镜间的总反射次数。
7.根据权利要求1所述的基于测量光路多重反射的相位调制双零差干涉仪，其特征在于：光程倍增结构中的一块平面反射镜发生微小位移，通过观测第一光电探测器与第二光电探测器的输出信号交流成份的相位差变化，能够测量微小位移产生的光程差，进而测量微小位移。
8.根据权利要求6或7所述的基于测量光路多重反射的相位调制双零差干涉仪，其特征在于：第一半波片的快轴与x方向呈-22.5°夹角，从而使入射到第一半波片的线偏振光偏振态偏转45°。
9.根据权利要求6或7所述的基于测量光路多重反射的相位调制双零差干涉仪，其特征在于：第二半波片的快轴与x方向呈-22.5°夹角，从而使入射到第二半波片的线偏振光偏振态偏转45°。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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