JP2000155009A - 直交多周波光に対する２往復反射光学系を用いた干渉計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ダブルヘテロダイン法で合成実効波長を短くす
ると同時に、該法に必要な直交偏光を干渉計の標的光学
腕を２往復させ、干渉計の測長感度を４倍にする。 【構成】３モードレーザとダブルヘテロダイン法を用い
て、該レーザの波長の半分の波長を持った光を作ると共
に、この光をダブルヘテロダイン干渉計の標的光学腕
を、結晶内の異常光線のウオークオフを用いて２往復さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はダブルヘテロダイン
干渉計において、干渉計の光学腕の光路に光を２往復さ
せ、干渉測長の感度を倍増させるためのものである。

【０００２】

【従来の技術分野】一般のヘテロダイン干渉計において
は、偏光方位が直交した２周波光を偏光ビーム分割器で
分割し、干渉計の１つの光学腕には１つの偏光方位を持
った光が送られるだけであるので取扱は容易であり、そ
れを２往復化する方法も難しくはない。

【０００３】それに対し合成波長、特に波長が短くなる
ような合成波長を用いいるダブルヘテロダイン干渉計は
現時点では存在しない。しかしこの場合には、干渉計の
１つの光学腕に直交する２つの偏光が送られることにな
る。標的が平面鏡である場合ついては直交する２つの偏
光を２往復させる問題はいまだ考えられていない。今
後、合成波長を光源の光の波長の半分とし、更に干渉計
の光路の２往復化を行って、干渉計の感度の向上、すな
わち分解限界を小さくすることが必要とされるであろ
う。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】干渉計の標的がコーナ
鏡やルーフ鏡である場合は、直交多周波光を２往復させ
ることは容易である。しかし、測定対象が平面上を動く
ステージのようなものである場合、横長のルーフ鏡を用
いることは不可能ではないであろうが、高精度のものを
作成することは難しく、どうしても標的は平面鏡にな
る。

【０００５】そこで、標的は平面鏡であるという前提に
立って、この平面鏡とビーム分割器の間、つまり干渉計
の光学腕を直交多周波光を２往復させるという問題が発
生する。本発明はこの問題を解決することを課題とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】課題を解決するために光
学的な異方性媒質体、すなわち光学結晶のウオークオフ
の現象と４分の１波長板を用いる。手段の説明について
は簡単のため単軸結晶を用いて行う。単軸結晶において
は光学軸と光線軸が一致するが、これも簡単のため光学
軸Ｎとその法線方向が平行にならないような平行平面で
結晶の研磨面ｓが出来上がっている平行平面結晶板を考
える。

【０００７】この平行平面結晶板に光が垂直入射する
と、固有偏光は常光線ｏと異常光線ｅとなるが異常光線
の光線（エネルギー）は屈折の法則に従わず光学軸（光
線軸）と入射光を含む面内で見ると、

【図１】のようになり、異常光線にウオークオフの現象
が見られる。

【０００８】従って

【図２】に示すごとく前記のごとき平行平面結晶板Ｘに
該結晶の固有偏光の方位と、偏光の方位が一致するごと
く直交２周波光ｆ１，ｆ２を入射し、出射光を４分の１
波長板で円偏光とした後で標的である平面鏡に入射し、
該平面鏡を再度４分の１波長板を通すことにより入射光
の偏光方位を９０°回した直線偏光として再度結晶板Ｄ
を通過させ、その光を局部反射鏡で反射させて、同じ過
程をも一度繰り返すと標的である平面鏡の動きによるド
ップラーシフトを２度受けた２周波Ｆ１，Ｆ２を有する
直交２周波光が得られる。

【０００９】

【発明の実施の形態】干渉計の２つの光学腕に直交多周
波レーザ光を送る必要のあるダブルヘテロダイン干渉計
の形式は多々あるが、合成波長を、使用するレーザの波
長より短くするという目的に対しては３モードレーザを
用いるのが最も適当であるので、こゝでの説明は３モー
ドレーザを用いて行う。

【００１０】

【図３】の３モードレーザから出る光りはその偏光方位
が図中（ａ）のように中央のモードν２とその両側のモ
ードν１、ν３の偏光は直交した直交３周波レーザ光で
ある。このレーザ光はビーム分割器で分割され、分割光
の一方は参照光学腕を通り参照鏡で反射され前記のビー
ム分割器に戻る。分割光の他方は

【図２】を用いて説明を行ったごとく、結晶板Ｘと４分
の１波長板λ／４と標的反射鏡Ｍ２表面から構成される
標的光学腕を２往復して前記ビーム分割器に戻る。この
光は標的鏡の移動による１回の反射光のドプラーシフト
がΔνであるとすると、２回の反射を経験しているので
図中（ｂ）のように２Δνとなっている。ビーム分割器
に戻った光を合流させ、次いで偏光ビーム分割器ＰＢＳ
で合流させた光の電場を重ね合わせ、光検知器Ｄで電気
信号に変換（電場の自乗と光電流が比例）し、さらにこ
の電気信号の自乗を求める（ダブルヘテロダイン）と、
合流する参照光学腕の偏光状態と標的光学腕のそれは９
０°回転していることから自乗された電気信号の周波数
ν２−ν１とν３−ν２の差の周波数の交流の位相は２
ｋｘ（ｋ＝２πν／ｃ，ν＝ν２〜ν１〜ν３）とな
る。ｘは鏡の移動量である。このことは合成波長が光源
のレーザの波長の１／２となっていることを示してい
る。（特願平１０−２９１２７８にくわしく記されてい
る）

【００１１】この波長が１／２になった光を標的光学腕
を２往復させるので、同じ波長のレーザを光源とした一
般のヘテロダイン干渉計に比して４倍の感度を持つ干渉
計が本発明によって得られることになる。

【００１２】

【実施例】

【図４】に本発明の実施例を示す。３モードレーザ１を
出た直交３周波レーザの光は、ビーム分割器８で分割さ
れた後一部の光は前に説明した平行平面結晶板３を通
り、次いで４分の１波長板４を通って移動ステージ２の
端面に設けられた標的鏡２ｘに至る。この標的鏡で反射
された光は、局部反射鏡の助けをかり

【図２】で図示された過程に従って、ビーム分割器８と
標的鏡の光路である標的光学腕を２往復してビーム分割
器８に戻る。ビーム分割器で分割された他の一部の光は
参照鏡７で反射されてビーム分割器８に戻り２つの光学
腕を通った光は合流する。この合流した光は偏光ビーム
分割器９で重ねられる。重ねられる光は

【図３】の（ａ）や（ｂ）のような３本のスペクトルを
持つので、重ねられた光を検知器１６で検知した電気信
号（光の電場の自乗）は２本のパワスペクトルを持つ。

【００１３】上記の２本のパワスペクトルを持つ電気信
号をミキサ１１を用いて自乗するとこの電気信号がつく
る包絡線が得られるが、この一連のプロセスがダブルヘ
テロダインであり合成波長を得る方法である。

【００１４】偏光ビーム分割器９のＳ成分とＰ成分のダ
ブルヘテロダインを行った結果２組の包絡線が得られる
が、この包絡線の位相差が移動ステージの移動量を示
す。

【００１５】本実施例による出力端２０、２１の位相差
の３６０°の変化は移動ステージ２のｘ方向のλ／８の
移動を示す。一般のヘテロダイン干渉計では３６０゜の
位相差の変化は標的のλ／２に対応する。λは光源のレ
ーザの波長である。

【００１６】本実施例では以上の系が今１組あり、標的
鏡のｙ方向の移動の測定に具えている。

【００１７】

【発明の効果】レーザ光源の波長の半分の合成波長を持
つと同時に、標的側の干渉光路を２往復する光学系を用
いることにより、在来のヘテロダイン干渉計の測長感度
を４倍にした系を得ることができる。

【００１８】

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る基礎原理の説明図である。

【図２】 本発明の主要原理の説明図である。

【図３】 本発明の形態を示す説明図である。

【図４】 本発明の実施例である。

【符号の説明】

１、 ３モードレーザ ２、 移動ステージ ２ｘ、２ｙ 標的平面鏡 ３、 平行平面結晶板 ４、 ４分の１波長板 ５、 局部反射鏡 ７、 参照光鏡 ８、 ビーム分割器 ９、 偏光ビーム分割器 １０、Ｄ 光電検知器 １１、 ミキサ ２０、２１、２２、２３、 出力端 ｅ、 異常光線 ｏ、 常光線 Ｎ、 光学（光線）軸 Ｘ、 平面結晶板 ｆ１、ｆ２、 入射光の周波数 Ｆ１、Ｆ２、 出射光の周波数 ν１、ν２、ν３、 ３モードレーザの周波数 Δν シフト周波数 Ｍ１、 標的鏡 Ｍ２、 参照鏡

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】面の法泉方向と光線軸の方向が異なる表裏
   ２面を有する異方性媒質体に対し、偏光方向が直交しか
   つ各偏光の周波数が異なる直交多周波光を入射し、該異
   方性媒質体を通過した光を４分の１波長板を通過せしめ
   た後平面反射鏡に入射し、該平面反射鏡の反射光を再び
   前記４分の１波長板及び前記異方性媒質体を通過せしめ
   た後前記入射光の光路を遮ることがないように設けられ
   た局部反射鏡で再び反射せしめ、さらに該局部反射鏡で
   反射された光を３たび前記異方性媒質体及び４分の１波
   長板を通過せしめた後前記平面反射鏡に入射し、該平面
   反射鏡の反射光を４たび前記４分の１波長板及び異方性
   媒質体を通過せしめることを特徴とする２往復反射光学
   系を用いた干渉計。