基于可变衰减器的光学非线性一阶误差消除方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光应用技术领域，特别涉及一种基于可变衰减器的光学非线性一阶 误差的消除方法。
【背景技术】
[0002] 外差激光干涉仪由于测量精度高、测量速度快和抗干扰能力强等优点，广泛应用 于超精密测量与加工制造领域。随着科研和生产技术的进步，对外差激光干涉仪的测量精 度提出了纳米甚至亚纳米量级的要求。然而，外差激光干涉仪测量精度的进一步提高受到 光学非线性误差的严重制约。外差激光干涉仪中的光学非线性误差包括一阶误差和二阶误 差，在绝大数的测量系统中光学非线性一阶误差通常要比二阶误差大一个数量级以上，且 后者的峰峰值一般小于一个纳米，在多数应用场合可以忽略不计。因此，光学非线性一阶误 差的消除是外差激光干涉仪进一步发展亟待解决的关键问题。
[0003] 国内外研宄人员针对光学非线性误差的测量和补偿技术开展了大量的研宄工作， 侯文玫等人提出了一种基于双信号检测的光学非线性一阶误差项消除方法(W. Hou and G. Wilkening. Investigation and compensation of the nonlinearity of heterodyne interferometers. Precis. Eng. 14:91-98 (1992).)，该方法利用偏振分光镜替代检偏 器，产生两个正交的测量信号，通过对两路信号位相求平均值而能够消除非线性一阶误差。 Badami等人提出一种基于测量信号频域特性分析的光学非线性测量方法（V. G. Badami， S. R. Patterson. A Frequency Domain Method for the Measurement of Nonlinearity in Heterodyne Interferometry. Prec. Eng. 24: 41 ~49 (2000))，并利用该方法对外差 激光干涉仪系统进行在线优化调整而消除光学非线性一阶误差。Eom等人提出一种基于混 频正交信号技术和椭圆拟合算法的光学非线性误差补偿方法（T. Eom，T. Choi，K. Lee， H. Choi, and S. Lee. A simple method for the compensation of the nonlinearity in the heterodyne interferometer. Meas. Sci. Technol. 13， 222-225 (2002)·)，能 够对光学非线性误差进行线下补偿。上述方法能够消除或减小外差激光干涉测量系统中的 光学非线性误差，但是这些方法一般要求相对比较复杂的光电装置或软件算法，在实用性 上受到较大的限制。
【发明内容】
[0004] 针对现有方法的不足，本发明提出一种基于可变衰减器的光学非线性一阶误差消 除方法，目的是为减小外差激光干涉仪的测量误差、提高其测量精度提供一种简易可行的 方法。
[0005] 本发明的目的通过以下技术方案实现： 一种基于可变衰减器的光学非线性一阶误差消除方法，该方法采用可变衰减器对外差 激光干涉仪中混频光束的大小进行调整，并使其满足正交性关系，进而消除光学非线性一 阶误差，该方法包括以下步骤： (1) 双频激光器发出的双频激光被偏振分光镜分离成偏振方向相互正交、传播方向成 90°角的两部分光束，其中一部分光束作为参考光束进入参考光路，并被固定的参考棱镜 反射折回至偏振分光镜； (2) 另一部分光束作为测量光束进入测量光路，并被匀速运动的测量棱镜反射折回至 偏振分光镜，与被反射回偏振分光镜的参考光束汇合成为一束同轴光束，该光束通过45° 放置的检偏器后形成光学拍频信号； (3) 光学拍频信号由光电探测器转换成电信号后，其频谱由信号分析仪进行观测； (4) 在参考光路中放置遮光板挡住从参考棱镜返回的光束，并记录此时测量信号频谱 中光学非线性一阶谐波的强度值，记为A1，然后撤掉遮光板； (5) 在测量光路中放置遮光板挡住从测量棱镜返回的光束，记录此时测量信号频谱中 光学非线性一阶谐波的强度值，记为A2，然后撤掉遮光板； (6) 若A1M2，将可变衰减器放入测量光路，调整其衰减系数使测量信号频谱中光学非线 性一阶谐波的强度值为零，此时参考光路和测量光路中的混频光束满足正交性关系，光学 非线性一阶误差被消除； (7) 若A^A2，将可变衰减器放入参考光路，调整其衰减数值使测量信号频谱中光学非线 性一阶谐波的强度值为零，此时参考光路和测量光路中的混频光束满足正交性关系，光学 非线性一阶误差被消除。
[0006] 对于本发明提出的基于可变衰减器的光学非线性一阶误差消除方法，测量棱镜的 运动方向平行于测量光束，且其运动速度不超过双频激光光源频差所允许的最大值。
[0007] 本发明的特点及良好效果表述如下： (1) 本发明采用可变衰减器对外差激光干涉仪中的混频光束大小进行调整，使其满足 正交性关系，进而消除光学非线性一阶误差，在结构上比较简单，不需要额外的光学和电学 系统以及软件算法； (2) 本发明方法的实现只需要在外差激光干涉仪的参考光路或测量光路中放置可变衰 减器用于调整混频光束的大小，不需要对原有的干涉仪结构和部件进行任何调整。
【附图说明】
[0008] 图1为实现本发明方法的装置示意图。
[0009] 图2为存在光学频率混叠时外差激光干涉仪测量信号的频谱图。
[0010] 图3为测量棱镜保持静止、测量光路返回光被遮挡时的测量信号频谱图。
[0011] 图4为测量棱镜保持静止、参考光路返回光被遮挡时的测量信号频谱图。
[0012] 图5为采用本文提出方法后的外差激光干涉仪测量信号的频谱图。
[0013] 图中，1双频激光器、2偏振分光镜、3参考棱镜、4测量棱镜、5电控导轨、6检偏器、 7光电探测器、8信号分析仪、9可变衰减器。
[0014] 图1所示的装置在干涉仪的参考光路中放置了可变衰减器9,但可变衰减器9也可 能放置在测量光路中，决定于干涉仪的光学混频状况。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
[0016] 利用图1所示的装置实现本发明方法的实例描述如下： 在理想情况下，双频激光器I (Agilent-5517B)输出的双频激光是两个频率相差很小、 相互正交的线偏振光，且二者的偏振方向与偏振分光镜2的两个分光方向对齐，因此两个 不同频率和偏振态的光分量被完全分离，一个光分量作为参考光，另一个光分量作为测量 光。
[0017] 在实际情况中，由于双频激光器1输出的激光偏振态存在一定程度的偏振椭圆极 化和偏振非正交化，偏振分光镜2的制作可能存在一定瑕疵，且其安装调整可能存在一定 的误差等一系列原因，导致双频激光器1输出的双频激光不能够被偏振分光镜2完全分离， 从而使得外差激光干涉仪的参考光路和测量光路中的激光都包含了两个不同频率的光分 量，即出现光学混频现象，而光学混频现象将会对干涉仪的测量光引入光学非线性误差。
[0018] 假定双频激光器1输出的两个光分量频率分别为Zi和/2，在实际情形中由于二者 无法被完全分离，二者进入参考光路中的光束分别用A和〃 2表示，进入测量光路中的光束 分别用4和A表示，忍、4、心和\统称为混频光束，由于位相的不同，在同一时刻忍、4、 〇 JP 〇·2数值可能为正，也可能为负。光束A和〇·2被固定的参考棱镜3反射回偏振分光 镜2,光束爲和〇 3皮匀速运动的测量棱镜4反射回偏振分光镜2,并与光束A和《V汇合 成一束同轴激光，该同轴光束通过45°放置的检偏器6形成光学拍频信号，并由光电探测 器7 (HAMAMATSU-C5568)转换为电信号，电信号的频谱由信号分析仪8 (Agilent-N9010A) 进行观测。图1中测量棱镜4被安装在电控导轨5上，可沿测量光束方向作匀速运动。
[0019] 根据 Badami 等人（V. G. Badami，S. R. Patterson. A Frequency Domain Method for the Measurement of Nonlinearity in Heterodyne Interferometry. Prec. Eng. 2000，24: 41~49)的研宄结果表明，在存在光学频率混叠情况下，干涉仪的测量信号 可以表示为：
【主权项】
1. 基于可变衰减器的光学非线性一阶误差消除方法，其特征在于该方法采用可变衰减 器对外差激光干涉仪中混频光束的大小进行调整，并使其满足正交性关系，进而消除光学 非线性一阶误差，该方法包括以下步骤： (1) 双频激光器发出的双频激光被偏振分光镜分离成偏振方向相互正交、传播方向成 90°角的两部分光束，其中一部分光束作为参考光束进入参考光路，并被固定的参考棱镜 反射折回至偏振分光镜； (2) 另一部分光束作为测量光束进入测量光路，并被匀速运动的测量棱镜反射折回至 偏振分光镜，与被反射回偏振分光镜的参考光束汇合成为一束同轴光束，该光束通过45° 放置的检偏器后形成光学拍频信号； (3) 光学拍频信号由光电探测器转换成电信号后，其频谱由信号分析仪进行观测； (4) 在参考光路中放置遮光板挡住从参考棱镜返回的光束，并记录此时测量信号频谱 中光学非线性一阶谐波的强度值，记为A1，然后撤掉遮光板； (5) 在测量光路中放置遮光板挡住从测量棱镜返回的光束，记录此时测量信号频谱中 光学非线性一阶谐波的强度值，记为A2，然后撤掉遮光板； (6) 若A1M2，将可变衰减器放入测量光路，调整其衰减系数使测量信号频谱中光学非线 性一阶谐波的强度值为零，此时参考光路和测量光路中的混频光束满足正交性关系，光学 非线性一阶误差被消除； (7) 若A^A2，将可变衰减器放入参考光路，调整其衰减数值使测量信号频谱中光学非线 性一阶谐波的强度值为零，此时参考光路和测量光路中的混频光束满足正交性关系，光学 非线性一阶误差被消除。
2. 如权利1所述的基于可变衰减器的光学非线性一阶误差消除方法，测量棱镜的运动 方向平行于测量光束，且其运动速度不超过双频激光光源频差所允许的最大值。
【专利摘要】基于可变衰减器的光学非线性一阶误差消除方法属于激光应用技术领域，本发明在外差激光干涉仪的参考光路或测量光路中引入可变衰减器，用于调整混频光束的大小并使其满足正交性关系，进而消除光学非线性一阶误差。
【IPC分类】G01B9-02
【公开号】CN104776795
【申请号】CN201510125553
【发明人】付海金, 谭久彬, 胡鹏程
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年3月23日