CN1176346C - 双频激光合成波长干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双频激光合成波长干涉仪，它包括双频激光器，四个分光镜，参考镜，光阑，二个偏振分光镜，三个角锥棱镜，二个1/4波片，带光阑的反射镜，测量镜，反射镜，三个检偏器和四个光电探测器等组成。在光路中有两个迈克尔逊干涉仪的结构，二个波长λ₁和λ₂形成合成波长λ_S，利用λ_S对λ₂进行细分，可以进行亚纳米级精度的纳米测量，结合对λ₂形成的整数干涉条纹进行计数，可以实现测量镜毫米量级范围的纳米测量。测量镜纳米级位移由第一光电探测器和第二光电探测器来实现，测量镜和参考镜的毫米级位移由第一、第二、第三检偏器和第二、第三、第四光电探测器来实现。本发明主要适用于纳米技术、微光机电技术、集成电路芯片制造技术、生物技术等领域所涉及的大范围纳米测量领域。

Description

双频激光合成波长干涉仪

                            技术领域

本发明涉及领域为采用光学测量方法为其特征的仪器，是一种双频激光合成波长干涉仪。

                            背景技术

光学干涉纳米测量技术广泛采用了对干涉条纹进行细分方法来获得高的测量分辨率，针对不同的干涉仪存在许多干涉条纹细分方法，归结起来主要可以分为两类，一类是光学细分方法，即从光学系统设计方面考虑，利用光路结构的设计或者利用光学元件性质的设计来实现，例如，光学倍乘方法，分布调制方法和磁光偏振光干涉仪；另一类是电子细分方法，例如，电阻链细分、A/D变换细分、数字鉴相细分和锁相倍频细分等方法。这些方法实现的细分系数一般在1/2-1/10000之间，而且要达到比较高的细分系数，除在合理设计光学系统的同时还必须具有灵敏、稳定的电子处理电路，所以系统一般比较复杂、精密度要求较高。所以现有光学干涉纳米测量技术难以实现高精度的纳米测量和兼顾大范围的纳米测量。

                            发明内容

本发明的目的是提供一种双频激光合成波长干涉仪，即在同一套干涉仪光路中有两个迈克尔逊干涉仪的结构，形成了合成波长对干涉条纹的极大细分，细分系数达1/1760000，因此易于实现纳米级甚至皮米级的纳米测量，结合对干涉条纹整数级次的计数，可以实现毫米量级范围的大范围纳米测量。

本发明采用的技术方案如下：

它包括：双频激光器，四个分光镜，参考镜，光阑，二个偏振分光镜，三个角锥棱镜，二个1/4波片，带光阑的反射镜，测量镜，反射镜，三个检偏器，四个光电探测器。第一角锥棱镜和第二角锥棱镜与第一偏振分光镜成对称布置，双频激光器发出相互正交的双纵模偏振光λ₁和λ₂；偏振光λ₁经第一分光镜反射的光束依次经参考镜、第一分光镜、第二偏振分光镜至第一光电探测器，偏振光λ₁经第一分光镜透射的光束依次经光阑、第一偏振分光镜、第一角锥棱镜、第一偏振分光镜、反射镜、第二1/4波片、第三角锥棱镜、第二1/4波片、反射镜、第一偏振分光镜、第一角锥棱镜、第一偏振分光镜、光阑、第一分光镜、第二偏振分光镜至第一光电探测器；偏振光λ₂经第一分光镜反射的光束依次经参考镜、第一分光镜至第二偏振分光镜被反射至第二、第三、第四分光镜后，分别经各自的第一、第二、第三检偏器至各自的第二、第三、第四光电探测器，偏振光λ₂经第一分光镜透射的光束依次经光阑、第一偏振分光镜、第一1/4波片、带光阑的反射镜、第一1/4波片、第一偏振分光镜、第二角锥棱镜、第一偏振分光镜、第一1/4波片、带光阑的反射镜、第一1/4波片、第一偏振分光镜、反射镜、第二1/4波片、第三角锥棱镜、第二1/4波片、反射镜、第一偏振分光镜、第一1/4波片、带光阑的反射镜小孔、测量镜、带光阑的反射镜原小孔、第一1/4波片、第一偏振分光镜、第二角锥棱镜、第一偏振分光镜、第一1/4波片、带光阑的反射镜另一小孔、测量镜、带光阑的反射镜原另一小孔、第一1/4波片、第一偏振分光镜、光阑、第一分光镜至第二偏振分光镜被反射至第二、第三、第四分光镜后，分别经各自的第一、第二、第三检偏器至各自的第二、第三、第四光电探测器。

本发明具有的有益的效果是：在光路中有两个迈克尔逊干涉仪的结构，即参考干涉仪和测量干涉仪。用二个波长λ₁和λ₂形成合成波长λ_S，利用λ_S对λ₂进行细分，细分系数达到1/1760000，可以进行亚纳米级精度的纳米测量，结合对λ₂形成的整数干涉条纹进行计数，可以实现测量镜毫米量级范围的纳米测量。测量镜纳米级位移由第一光电探测器和第二光电探测器来实现，测量镜和参考镜的毫米级位移由第一、第二、第三检偏器和第二、第三、第四光电探测器来实现。本发明主要适用于纳米技术、微光机电技术、集成电路芯片制造技术、生物技术等领域所涉及的大范围纳米测量领域。

                            附图说明

附图是双频激光合成波长干涉仪的结构原理图。

                            具体实施方式

如附图所示，本发明包括：双频激光器1，四个分光镜2、24、23、22，参考镜3，光阑4，二个偏振分光镜5、14，三个角锥棱镜6、10、12，二个1/4波片7、11，带光阑的反射镜8，测量镜9，反射镜1 3，三个检偏器16、19、21，四个光电探测器15、17、18、20。第一角锥棱镜6和第二角锥棱镜10与第一偏振分光镜5成对称布置，双频激光器1发出相互正交的双纵模偏振光λ₁和λ₂，由第一分光镜2分成反射和透射两束光，反射光束经参考镜3返回后透过第一分光镜2，透射光束经过光阑4射向第一偏振分光镜5，其中波长为λ₁的透射光由第一偏振分光镜5反射至第一角锥棱镜6，然后经反射镜13、第二1/4波片11、第三角锥棱镜12和第一偏振分光镜5射向第一分光镜2，波长为λ₂的透射光再次透过第一偏振分光镜5经第一1/4波片7、带光阑的反射镜8射向测量镜9，然后被反射至第一偏振分光镜5，经第二角锥棱镜10、带光阑的反射镜8、反射镜13、第二1/4波片11、第三角锥棱镜12、测量镜9、第一偏振分光镜5后也射向第一分光镜2；射向第一分光镜2的透射光束经第一分光镜2反射后，与透过第一分光镜2的反射光束一起射向第二偏振分光镜14，其中波长为λ₁的光被透过至第一光电探测器15，波长为λ₂的光被反射至第二、第三、第四分光镜24、23、22后，分别经各自的第一、第二、第三检偏器16、19、21至各自的第二、第三、第四光电探测器17、18、20。

在本发明中，实际存在两个迈克尔逊干涉仪，即：由第一分光镜2、参考镜3、第一偏振分光镜5、第一角锥棱镜6、反射镜13、第二1/4波片11和第三角锥棱镜12组成的对波长λ₁的一路迈克尔逊干涉仪，称之为参考干涉仪；由第一分光镜2、参考镜3、第一偏振分光镜5、第一1/4波片7、带光阑的反射镜8、测量镜9、第二角锥棱镜10、反射镜13、第二1/4波片11和第三角锥棱镜12组成的对波长λ₂的另一路迈克尔逊干涉仪，称之为测量干涉仪。在测量干涉仪的第一偏振分光镜5、带光阑的反射镜8和测量镜9之间，光束往返4次，所以可以实现对波长λ₂的8倍细分；在参考镜3、第一分光镜2、第一偏振分光镜5、反射镜13、第三角锥棱镜12和第二偏振分光镜14之间，参考干涉仪和测量干涉仪具有共光路的结构，该结构可以有效抑制环境因素变化对测量结果的影响。

在本发明中，测量镜的被测位移可以表示为：

            L＝L_n+Δl    (a)

其中：

(1)、(a)式中的L_n可由整数干涉条纹计数法获得，即： $L_n=n\·\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{8}.$ 具体

实施方法为：第一检偏器16的通光方向取水平方向，第二检偏器19的通光方向取45°    21的通光方向取垂直方向，那么第二、三、四光电探测器17、18、20检测到的干涉条纹信号的相位分别是0° 90° 180°可逆计数法则可获得整数干涉条纹数值n。

(2)、(a)式中的Δl利用合成波长对干涉条纹的细分方法获得。具体实施方法为：由第一、第二光电探测器15和17分别检测波长λ₁和λ₂的干涉条纹信号。波长λ₁只在参考干涉仪中进行干涉，干涉信号的相位差为：

式中L是参考干涉仪中反射光束和透射光束的光程差。波长λ₂在测量干涉仪中进行干涉，干涉信号的相位差为：

式中L₂是第一偏振分光镜5和测量镜9之间的距离。设Δ＝₁-₂，则有

式中 ${\mathrm{\λ}}_s=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2}{|{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2|}$ 是合成波长。当测量镜9有微小的位移Δl(纳米量级)，则相位差Δ′又为：

为了得到测量镜9的位移，可将参考镜3移动ΔL使Δ′回到Δ，即使L→L+ΔL，则Δ′→Δ，由公式(b)和(c)得到：

$\mathrm{\Δl}=\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{4\mathrm{\λ}}_s}\mathrm{\ΔL}---\left(d\right)$

上式表明测量镜9纳米量级的被测位移可以通过检测参考镜毫米量级的位移ΔL来获得。参考镜位移ΔL可采取与(1)相似的干涉条纹计数法获得，即 $L_n=n\·\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{2}.$ 至此，(a)式中的Δl可以算出。

由以上(1)、(2)可以获得测量镜的被测位移。

由式(d)可得本套干涉仪对干涉条纹的细分系数为： $K=\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{4\mathrm{\λ}}_s},$ 若采用632.8nm的双纵模He-Ne激光器，其输出的两个光波频率差约为Δv＝1070MHz，则合成波长为λ_s≈280mm，细分系数为 $K=\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{4\mathrm{\λ}}_s}=\frac{{0.6328\×10}^{-6}}{4\×280\×{10}^{-3}}\≈\frac{1}{1760000},$ 这样大的细分系数要优于目前所有的干涉条纹细分方法。

Claims (1)

1.一种双频激光合成波长干涉仪，其特征在于它包括：双频激光器(1)，四个分光镜(2、24、23、22)，参考镜(3)，光阑(4)，二个偏振分光镜(5、14)，三个角锥棱镜(6、10、12)，二个1/4波片(7、11)，带光阑的反射镜(8)，测量镜(9)，反射镜(13)，三个检偏器(16、19、21)，四个光电探测器(15、17、18、20)；第一角锥棱镜(6)和第二角锥棱镜(10)与第一偏振分光镜(5)成对称布置，双频激光器(1)发出相互正交的双纵模偏振光λ1和λ2；偏振光λ1经第一分光镜(2)反射的光束依次经参考镜(3)、第一分光镜(2)、第二偏振分光镜(14)至第一光电探测器(15)，偏振光λ1经第一分光镜(2)透射的光束依次经光阑(4)、第一偏振分光镜(5)、第一角锥棱镜(6)、第一偏振分光镜(5)、反射镜(13)、第二1/4波片(11)、第三角锥棱镜(12)、第二1/4波片(11)、反射镜(13)、第一偏振分光镜(5)、第一角锥棱镜(6)、第一偏振分光镜(5)、光阑(4)、第一分光镜(2)、第二偏振分光镜(14)至第一光电探测器(15)；偏振光λ2经第一分光镜(2)反射的光束依次经参考镜(3)、第一分光镜(2)至第二偏振分光镜(14)被反射至第二、第三、第四分光镜(24、23、22)后，分别经各自的第一、第二、第三检偏器(16、19、21)至各自的第二、第三、第四光电探测器(17、18、20)，偏振光λ2经第一分光镜(2)透射的光束依次经光阑(4)、第一偏振分光镜(5)、第一1/4波片(7)、带光阑的反射镜(8)、第一1/4波片(7)、第一偏振分光镜(5)、第二角锥棱镜(10)、第一偏振分光镜(5)、第一1/4波片(7)、带光阑的反射镜(8)、第一1/4波片(7)、第一偏振分光镜(5)、反射镜(13)、第二1/4波片(11)、第三角锥棱镜(12)、第二1/4波片(11)、反射镜(13)、第一偏振分光镜(5)、第一1/4波片(7)、带光阑的反射镜(8)小孔、测量镜(9)、带光阑的反射镜(8)原小孔、第一1/4波片(7)、第一偏振分光镜(5)、第二角锥棱镜(10)、第一偏振分光镜(5)、第一1/4波片(7)、带光阑的反射镜(8)另一小孔、测量镜(9)、带光阑的反射镜(8)原另一小孔、第一1/4波片(7)、第一偏振分光镜(5)、光阑(4)、第一分光镜(2)至第二偏振分光镜(14)被反射至第二、第三、第四分光镜(24、23、22)后，分别经各自的第一、第二、第三检偏器(16、19、21)至各自的第二、第三、第四光电探测器(17、18、20)。