CN117553676A - 基于多目标对向位移测量的外差干涉仪及测量方法 - Google Patents
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Abstract
基于多目标对向位移测量的外差干涉仪及测量方法，属于激光应用技术领域。本发明解决了现有的空间分离式外差激光干涉仪不满足对向目标间相对位移测量需求的问题。技术要点：激光光源的输出光路上左右依次并列设置有第一分束器与第二分束器，第一分束器与第二分束器均为偏振分束器；第一分束器的上方设置有第一反射器，第二分束器的右侧设置有第三反射器，第二分束器的前方设置有第二平面反射器，第二分束器的后方设置有第一平面反射器；第一平面反射器和第二平面反射器共同构成第二反射器组；第一分束器的左侧设置有第一光电探测器和第二光电探测器。本发明实现了对向物体间相对位移的测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种外差激光干涉仪及测量方法，具体涉及一种基于多目标对向位移测量的外差干涉仪及测量方法，属于激光应用技术领域。
背景技术
外差激光干涉测量技术具有量程大、分辨力高、信噪比高且测量结果溯源性好等优点，被广泛应用于高端装备制造、精密计量和大科学装置等精密工程领域，其已成为精密工程中不可或缺的核心共性基础技术之一。
外差激光干涉测量中，由频率混叠，偏振混叠和虚反射引起的纳米级周期性或非线性误差限制了已知的干涉仪的精度，各国学者陆续提出基于空间分离光路的外差激光干涉技术，通过光束之间空间分离的方式减弱或消除光学混叠以减小甚至消除周期非线性误差。但是，当前外差干涉仪测量主要针对的是单个目标镜相对于镜组内部某个固定参考镜的相对位移，针对含有对向目标的相对位移测量，尚未提出相关解决方案。
中国学者Wu Chien-ming等设计的外差激光干涉仪(Heterodyne Interferometerwith Subatomic Periodic Nonlinearity.Appl.Opt.,1999,38(19):4089-4094)组成极为复杂，集成装配难度大，而且其为对单个目标相对镜组自身的位移测量，其光学结构无法满足对向目标间相对位移测量的需求。
韩国学者Ki-Nam Joo等在专利WO2010030179A1中研制了一种新型空间分离式外差激光干涉仪，其结构复杂且同样不满足对向两物体间相对位移测量的需求。
由TL Schmitz和JF Beckwith发表在Journal of Modern Optics 49，第2105-2114页上的文章《Acousto-optic displacement-measuring interferometer:a newheterodyne interferometer with Anstrom-level periodic error》中，其中建议提供已知的具有声光调制器作为分束器的外差激光干涉仪。然而，声光调制器的衍射角非常小，并且由于制造缺陷，声光调制器很可能具有混频。它的特定配置限制了通常用于测量位移的应用。该装置对应于从USB6,847,455已知的装置。且依然不能满足对向两物体间相对位移测量。
日本产业技术综合研究所和日本国家计量研究所的学者Shuko Yokoyama等人提出了一种周期非线性误差在深亚纳米量级的外差干涉仪(A heterodyne interferometerconstructed in an integrated optics and its metrological evaluation of apicometre-order periodic error[J].Precision Engineering,2018,54:206-211.)，但是该干涉仪光学结构异常复杂，存在多个特殊加工面，但运动目标镜和参考镜同向，也不满足对向目标相对位移测量需求。
近年中国学者胡鹏程等在专利CN111442715B中介绍了一种空间分离式外差激光干涉仪，显著降低了周期非线性误差，热稳定性优异。但同样为单目标位移测量，无法解决对向目标相对位移测量需求。
综上所述，现有的空间分离式外差激光干涉仪目前虽然将纳米级的周期非线性误差抑制到1纳米，但是均不满足对向目标间相对位移测量的需求。
发明内容
本发明为了克服上述现有的空间分离式外差激光干涉仪不满足对向目标间相对位移测量需求的问题，提供了一种基于多目标对向位移测量的外差干涉仪及测量方法，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。
本发明的技术方案一：
基于多目标对向位移测量的外差干涉仪，包括：
激光光源，用于提供两束不同频率的空间分离光束；两束不同频率的空间分离光束分别定义频率为f1的第一输入光束、频率为f2的第二输入光束；
所述激光光源的输出光路上左右依次并列设置有第一分束器与第二分束器，第一分束器与第二分束器均为偏振分束器；
所述第一分束器，用于将至少一个光束分成参考光束和测量光束；
所述第二分束器，用于实现测量光对向物体相对位移量光路结构与第一分束器的分光方向垂直；
所述第一分束器的上方设置有第一反射器，所述第二分束器的右侧设置有第三反射器，第二分束器的前方设置有第二平面反射器，第二分束器的后方设置有第一平面反射器；第一平面反射器和第二平面反射器共同构成第二反射器组；第二分束器的前端面贴附有第二四分之一波片，后端面贴附有第一四分之一波片；
所述第一反射器和第二反射器组，用于反射参考光束和测量光束；
所述第三反射器，用于实现光路分层；
所述第一分束器的左侧设置有第一光电探测器和第二光电探测器；
所述第一光电探测器和第二光电探测器，用于检测与反射后的参考光束和测量光束有关的干涉信号。
进一步地：所述第一反射器和第三反射器为后向反射器。
进一步地：所述第一分束器与第二分束器的空间位置状态满足二者的反射光束的方向相互垂直。
进一步地：所述第二反射器组的运动方向与其入射光方向垂直或接近于垂直。
进一步地：所述第一平面反射器和第二平面反射器均由一块运动大平面反射镜构成，或者均由多块运动小平面反射镜组成。
本发明的技术方案二：
基于多目标对向位移测量的外差干涉仪的测量方法，所述外差激光干涉仪为技术方案一所述的基于多目标对向位移测量的外差干涉仪；
测量方法包括以下步骤：
所述第一输入光束入射至第一分束器后其透射光束形成第一测量光束，其反射光束形成第一参考光束；所述第二输入光束入射至第一分束器后其透射光束形成第二测量光束，其反射光束形成第二参考光束；
所述第一测量光束和第二测量光束均继续透射经过第二分束器，并在第二分束器的分光面上反射，在第一四分之一波片、第二四分之一波片以及第三反射器共同作用下，在第二反射器组的每个镜面上反射两次，随后携带双倍多普勒频移在第一分束器透射输出；
同时，所述第一参考光束和第二参考光束在第一反射器的作用下在第一分束器反射输出，且光束频率不变；输出的第一测量光束和第二参考光束在输出行进路径中至少有一部分重合并形成第一干涉信号，且第一参考光束和第二测量光束在输出行进路径中至少有一部分重合并形成第二干涉信号；
最终，所述第一光电探测器接收第一干涉信号，第二光电探测器接收第二干涉信号，第一干涉信号和第二干涉信号经过信号处理后即得到目标平面反射器在不同自由度的位置变化信息。
进一步地：调整第三反射器的位置以及第二反射器组的角度，使得第一测量光束和第二参考光束反射后至少共享一部分行进路径，并且反射后的第二测量光束与第一参考光束至少共享一部分行进路径，且共享路径光束平行。
本发明有益效果体现在：
(1)本发明中，通过两分束器分光方向垂直的布局，改变了目标反射器相对于入射光束的方向，且可同时兼顾多个目标间的相对运动，突破了常规镜组单目标单相对位移方向测量工作模式，首要解决了对向物体间相对位移的测量的问题。
(2)本发明的外差激光干涉仪相较于其他空间分离式外差激光干涉仪同时兼顾了以下特点：外差激光干涉仪的测量光束和参考光束在最终干涉之前在空间上是分离的，从而显著降低了周期非线性误差；同时，外差激光干涉仪测量光束被同一目标平面反射器反射两次，使得干涉信号的空间适配性增强，分辨能力增强，提高了工程实用能力。
(3)本发明中，外差激光干涉仪结构简单，易于集成装配，在其安装和使用过程中稳定性好，并且除使用空间光的方法外还可用光纤导入光源和导出干涉光束。
附图说明
图1是实施例1的基于多目标对向位移测量的外差干涉仪结构三维示意图；
图2是实施例1的基于多目标对向位移测量的外差干涉仪结构三维示意图(省略探测器)；
图3是实施例1的基于多目标对向位移测量的外差干涉仪光路示意图；
图4是图3的A向视图；
图5是实施例2的基于多目标对向位移测量的外差干涉仪光路示意图；
图6是干涉信号幅值曲线图；
图7是周期非线性信号幅值曲线图。
图中件号说明：
FR1：第一反射器；
FR2：第三反射器；
M1：第一平面反射器；
M2：第二平面反射器；
PBS1：第一分束器；
PBS2：第二分束器；
QWP1：第一四分之一波片；
QWP2：第二四分之一波片；
f1：频率为f1的第一输入光束；
f2：频率为f2的第二输入光束；
Im：第一干涉信号
Ir：第二干涉信号
PDm：第一光电探测器
PDr：第二光电探测器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。还应当理解的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
实施例1，结合图1-图4说明本实施例，本实施例提供了一种基于多目标对向位移测量的外差干涉仪，包括：激光光源，用于提供两束不同频率的空间分离光束；两束不同频率的空间分离光束分别定义频率为f1的第一输入光束、频率为f2的第二输入光束；所述激光光源的输出光路上左右依次并列设置有第一分束器PBS1与第二分束器PBS2，第一分束器PBS1与第二分束器PBS2均为偏振分束器；所述第一分束器PBS1，用于将至少一个光束分成参考光束和测量光束；所述第二分束器PBS2，用于实现测量光对向物体相对位移量光路结构与第一分束器PBS1的分光方向垂直；所述第一分束器PBS1的上方设置有第一反射器FR1，所述第二分束器PBS2的右侧设置有第三反射器FR2，第二分束器PBS2的前方设置有第二平面反射器M2，第二分束器PBS2的后方设置有第一平面反射器M1；第一平面反射器M1和第二平面反射器M2共同构成第二反射器组；第二分束器PBS2的前端面贴附有第二四分之一波片QWP2，后端面贴附有第一四分之一波片QWP1；所述第一反射器FR1和第二反射器组，用于反射参考光束和测量光束；所述第三反射器FR2，用于实现光路分层；所述第一分束器PBS1的左侧设置有第一光电探测器PDm和第二光电探测器PDr；所述第一光电探测器PDm和第二光电探测器PDr，用于检测与反射后的参考光束和测量光束有关的干涉信号。所述第一反射器FR1和第三反射器FR2为后向反射器。所述第一分束器PBS1与第二分束器PBS2的空间位置状态满足二者的反射光束的方向相互垂直。所述第二反射器组的运动方向与其入射光方向垂直。所述第一平面反射器M1和第二平面反射器M2均由一块运动大平面反射镜构成。
实施例2，结合图5说明本实施例，本实施例与实施例1的不同在于：所述第二反射器组的运动方向与其入射光方向接近于垂直。所述第一平面反射器M1和第二平面反射器M2均由两块块运动小平面反射镜组成。
实施例3，结合图1-图4说明本实施例，本实施例提供了一种基于多目标对向位移测量的外差干涉仪的测量方法，所述外差激光干涉仪为实施例1所述的基于多目标对向位移测量的外差干涉仪；
测量方法包括以下步骤：
所述第一输入光束入射至第一分束器PBS1后其透射光束形成第一测量光束，其反射光束形成第一参考光束；所述第二输入光束入射至第一分束器PBS1后其透射光束形成第二测量光束，其反射光束形成第二参考光束；
所述第一测量光束和第二测量光束均继续透射经过第二分束器PBS2，并在第二分束器PBS2的分光面上反射，在第一四分之一波片QWP1、第二四分之一波片QWP2以及第三反射器FR2共同作用下，在第二反射器组的每个镜面上反射两次，随后携带双倍多普勒频移在第一分束器PBS1透射输出；
同时，所述第一参考光束和第二参考光束在第一反射器FR1的作用下在第一分束器PBS1反射输出，且光束频率不变；输出的第一测量光束和第二参考光束在输出行进路径中至少有一部分重合并形成第一干涉信号Im，且第一参考光束和第二测量光束在输出行进路径中至少有一部分重合并形成第二干涉信号Ir；
最终，所述第一光电探测器PDm接收第一干涉信号Im，第二光电探测器PDr接收第二干涉信号Ir，第一干涉信号Im和第二干涉信号Ir经过信号处理后即得到目标平面反射器在不同自由度的位置变化信息。
更具体地：调整第三反射器的位置以及第二反射器组的角度，使得第一测量光束和第二参考光束反射后至少共享一部分行进路径，并且反射后的第二测量光束与第一参考光束至少共享一部分行进路径，且共享路径光束平行。
上述实施例中，外差激光干涉仪结构简单，易于集成装配，在其安装和使用过程中稳定性好，并且除使用空间光的方法外还可用光纤导入光源和导出干涉光束。
外差干涉仪周期非线性误差公式如下：
式中，λ为激光光源波长，为632.8nm；N为光学细分数，该干涉仪光学结构光学细分数为4；ΓN为非线性信号幅度峰值，ΓS为干涉信号幅度峰值，在频谱仪中以分贝数表示。
设置目标镜匀速运动，频谱仪测试结果参见图6和图7。
频谱仪读取干涉信号幅值为-9.40dB、非线性信号幅值为-67.92dB时，周期非线性误差为：
综上所述，周期非线性为0.029nm，该外差干涉光学结构将传统纳米级周期非线性误差抑制在深亚纳米量级，其周期非线性误差抑制能力较好。
以上所述的实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.基于多目标对向位移测量的外差干涉仪，其特征在于，包括激光光源，用于提供两束不同频率的空间分离光束；两束不同频率的空间分离光束分别定义频率为f1的第一输入光束、频率为f2的第二输入光束；
所述激光光源的输出光路上左右依次并列设置有第一分束器(PBS1)与第二分束器(PBS2)，第一分束器(PBS1)与第二分束器(PBS2)均为偏振分束器；
所述第一分束器(PBS1)，用于将至少一个光束分成参考光束和测量光束；
所述第二分束器(PBS2)，用于实现测量光对向物体相对位移量光路结构与第一分束器(PBS1)的分光方向垂直；
所述第一分束器(PBS1)的上方设置有第一反射器(FR1)，所述第二分束器(PBS2)的右侧设置有第三反射器(FR2)，第二分束器(PBS2)的前方设置有第二平面反射器(M2)，第二分束器(PBS2)的后方设置有第一平面反射器(M1)；第一平面反射器(M1)和第二平面反射器(M2)共同构成第二反射器组；第二分束器(PBS2)的前端面贴附有第二四分之一波片(QWP2)，后端面贴附有第一四分之一波片(QWP1)；
所述第一反射器(FR1)和第二反射器组，用于反射参考光束和测量光束；
所述第三反射器(FR2)，用于实现光路分层；
所述第一分束器(PBS1)的左侧设置有第一光电探测器(PDm)和第二光电探测器(PDr)；
所述第一光电探测器(PDm)和第二光电探测器(PDr)，用于检测与反射后的参考光束和测量光束有关的干涉信号。
2.根据权利要求1所述的基于多目标对向位移测量的外差干涉仪，其特征在于：所述第一反射器(FR1)和第三反射器(FR2)为后向反射器。
3.根据权利要求2所述的基于多目标对向位移测量的外差干涉仪，其特征在于：所述第一分束器(PBS1)与第二分束器(PBS2)的空间位置状态满足二者的反射光束的方向相互垂直。
4.根据权利要求3所述的基于多目标对向位移测量的外差干涉仪，其特征在于：所述第二反射器组的运动方向与其入射光方向垂直。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于多目标对向位移测量的外差干涉仪，其特征在于：所述第一平面反射器(M1)和第二平面反射器(M2)均由一块运动大平面反射镜构成，或者均由多块运动小平面反射镜组成。
6.基于多目标对向位移测量的外差干涉仪的测量方法，其特征在于：所述外差激光干涉仪为权利要求1-5任一项所述的基于多目标对向位移测量的外差干涉仪；
测量方法包括以下步骤：
所述第一输入光束入射至第一分束器(PBS1)后其透射光束形成第一测量光束，其反射光束形成第一参考光束；所述第二输入光束入射至第一分束器(PBS1)后其透射光束形成第二测量光束，其反射光束形成第二参考光束；
所述第一测量光束和第二测量光束均继续透射经过第二分束器(PBS2)，并在第二分束器(PBS2)的分光面上反射，在第一四分之一波片(QWP1)、第二四分之一波片(QWP2)以及第三反射器(FR2)共同作用下，在第二反射器组的每个镜面上反射两次，随后携带双倍多普勒频移在第一分束器(PBS1)透射输出；
同时，所述第一参考光束和第二参考光束在第一反射器(FR1)的作用下在第一分束器(PBS1)反射输出，且光束频率不变；输出的第一测量光束和第二参考光束在输出行进路径中至少有一部分重合并形成第一干涉信号(Im)，且第一参考光束和第二测量光束在输出行进路径中至少有一部分重合并形成第二干涉信号(Ir)；
最终，所述第一光电探测器(PDm)接收第一干涉信号(Im)，第二光电探测器(PDr)接收第二干涉信号(Ir)，第一干涉信号(Im)和第二干涉信号(Ir)经过信号处理后即得到目标平面反射器在不同自由度的位置变化信息。
7.根据权利要求6所述的基于多目标对向位移测量的外差干涉仪的测量方法，其特征在于：调整第三反射器的位置以及第二反射器组的角度，使得第一测量光束和第二参考光束反射后至少共享一部分行进路径，并且反射后的第二测量光束与第一参考光束至少共享一部分行进路径，且共享路径光束平行。
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