一种四倍程的双频外差激光干涉仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于精密测量技术领域，涉及一种四倍程的双频外差激光干涉仪。
【背景技术】
[0002] 双频激光干涉仪具有响应速度快、测量范围大、容易实现高精度测量的特点，可用 于精密机床、大规模集成电路加工设备等的在线测量、误差修正和控制。双频激光干涉仪采 用外差干涉测量原理，克服了普通单频干涉仪测量信号直流漂移的问题，具有信号噪声小、 抗环境干扰、允许光源多通道复用等诸多优点。近年来，随着科学技术的发展，人们对精密 测量工具提出了更高的要求，但现有的双频外差激光干涉仪由于其自身光学元件性能的不 理想和环境等因素的影响，在光学测长系统中存在着不可消除的光学非线性误差。
[0003] 中国实用新型专利公告的公告号为CN2727698Y的专利公告了一种双频激光干涉 仪，根据倍程法通过在现有双频激光干涉仪的基础上添加反射镜等元器件，提出了一种双 倍程激光干涉仪，测量精度提高了一倍。中国发明专利公告的公告号为CN1587896A的专利 公告了一种光学八细分双频激光干涉仪，通过添加角锥棱镜和反射镜等元器件，提出了一 种四倍程的双频激光干涉仪，提高了双频激光干涉仪的测量精度，但同时也增加了新的光 学器件，增加了新的光学非线性误差。
[0004] 针对上述双频激光干涉仪存在的问题，本实用新型提出了一种新型结构的四倍程 双频外差激光干涉仪。本实用新型结构简单，稳定性好，可有效提高双频外差激光干涉仪的 测量精度，减小其光学非线性误差。 【实用新型内容】
[0005] 针对目前双频外差激光干涉仪测量时产生的光学非线性误差的问题，本实用新型 的目的在于提供一种四倍程的双频外差激光干涉仪，以提高双频外差激光干涉仪的测量精 度，减小其光学非线性误差。
[0006] 本实用新型的技术解决方案如下：
[0007] 本实用新型提出了一种四倍程的双频外差激光干涉仪，其包括：
[0008] 双频激光器，提供两个偏振方向互相垂直的线偏振光，分别为s偏振光和p偏振 光，设其频率分别为Π 和f2 ;
[0009] 偏振分光镜，设置于双频激光器的输出光路上，双频激光器发出的S偏振光经过 偏振分光镜后反射，P偏振光经过偏振分光镜后透射；
[0010] 第一四分之一波片和第二四分之一波片，分别设置于偏振分光镜的透射方向和反 射方向上，P偏振光经偏振分光镜透射后经第一四分之一波片变为圆偏振光，S偏振光经偏 振分光镜反射后经第二四分之一波片变为圆偏振光；
[0011] 移动镜和固定镜，分别设置于偏振分光镜的透射和反射方向并在偏振分光镜和四 分之一波片的延长线上，光束分别经第一四分之一波片和第二四分之一后经移动镜和固定 镜反射；
[0012] 第一角锥棱镜和第二角锥棱镜，第一角锥棱镜设置于关于偏振分光镜与固定镜对 称的方向，第二角锥棱镜设置于双频激光器和偏振分光镜之间，光束经偏振分光镜反射或 透射后经第一角锥棱镜或第二角锥棱镜反射；
[0013] 本实用新型设计了一种四倍程双频外差激光干涉仪，使得光路在双频外差激光干 涉仪的两个干涉臂分别实现了四倍程走向，提高了双频外差激光干涉仪的测量精度，使得 双频外差激光干涉仪的分辨率提高，光学非线性误差减小。
【附图说明】
[0014] 图1是本实用新型的四倍程双频外差激光干涉仪结构示意图。
【具体实施方式】
[0015] 如附图所示，图1是本实用新型的四倍程双频外差激光干涉仪结构示意图。由图 可见，本实用新型四倍程双频外差激光干涉仪，包括一个双频激光器1，偏振分光镜2,二个 四分之一波片3、5,移动镜4,固定镜6,二个角锥棱镜7、8。
[0016] 在双频激光器1的输出光路上设置一偏振分光镜2,在该偏振分光镜2的透射光方 向设置有第一四分之一波片3和移动镜4,在该偏振分光镜的反射光方向设置有第二四分 之一波片5和固定镜6,在第二四分之一波片5和固定镜6相对于偏振分光镜2对称的方 向设置第一角锥棱镜7,在双频激光器1和偏振分光镜2之间设置第二角锥棱镜8,其中第 一四分之一波片和第二四分之一波片的快轴方向分别与经偏振分光镜2透射的p偏振光的 偏振方向和经偏振分光镜2反射的s偏振光的振动方向成45°夹角。
[0017] 由双频激光器1发出两束振动方向相互垂直的频差为20MHZ的线偏振光Π 和f2， 频率为Π 的s偏振光经过偏振分光镜2反射到第二四分之一波片5变为圆偏振光，再经固 定镜6反射回第二四分之一波片5变为p偏振光，该p偏振光经偏振分光镜2透射至第一 角锥棱镜7,经第一角锥棱镜7反射至偏振分光镜2后透射至第二四分之一波片5变为圆 偏振光，经固定镜6反射至第二四分之一波片5变为s偏振光，该s偏振光经偏振分光镜2 反射至第二角锥棱镜8,经第二角锥棱镜8反射后的s偏振光经偏振分光镜2反射至第二四 分之一波片5变为圆偏振光，该圆偏振光经固定镜6反射至第二四分之一波片变为p偏振 光，该P偏振光经偏振分光镜2透射至第一角锥棱镜7,经第一角锥棱镜7透射回偏振分光 镜2,经偏振分光镜2透射第二四分之一波片5变成圆偏振光，经固定镜6反射至第二四分 之一波片5变为s偏振光，该s偏振光经偏振分光镜2反射至光纤接收信号；频率为f2的 P偏振光经过偏振分光镜2透射到第一四分之一波片3变成圆偏振光，该圆偏振光经固定 镜4反射后经过第一四分之一波片3变为s偏振光，该s偏振光经偏振分光镜2反射至第 一角锥棱镜7,经第一角锥棱镜7反射回偏振分光镜2再次反射至第一四分之一波片3变成 圆偏振光，经移动镜4反射至第一四分之一波片3变为p偏振光，经偏振分光镜2透射至第 二角锥棱镜8,经第二角锥棱镜8反射后经偏振分光镜2透射至第一四分之一波片3变为圆 偏振光，该圆偏振光经移动镜4反射经过第一四分之一波片3变为s线偏振光，该s偏振光 经偏振分光镜2反射至第一角锥棱镜7,经第一角锥棱镜7反射回偏振分光镜2再次反射至 第一四分之一波片3变成圆偏振光，该圆偏振光经移动镜4反射至第一四分之一波片3变 为P偏振光，该P偏振光经偏振分光镜2透射至光纤接收信号。
[0018] 假设双频激光器发出的入射光分别为
[0020] 其中Φ JP Φ 2分别为入射光s偏振光和P偏振光的初始相位，E。JP E。2分别为s 偏振光和P偏振光的幅值，光束经过双频外差激光干涉仪后由光纤接收到的信号为
[0021] Iph~E !E2Cos ( Φ「Φ 2+ Δ φ)
[0022] 其中△ Φ为测量信号和参考信号的相位差。根据光程差定理，移动镜的位移量L 通过光纤接收信号的相位差得出
[0024] 其中λ为光波波长，N为双频外差干涉仪的光程倍数。设由于双频外差激光干涉 仪内部的光学元件不理想引起的相位误差为Y，则所得移动镜的位移量为
[0026] 系统的光学非线性误差为
[0028] 由理论可知，双频外差激光干涉仪的光程倍数N越大，其光学非线性误差越小，当 双频外差激光干涉仪的光程倍数为四倍时，双频外差激光干涉仪的光路达到八细分，系统 光学非线性误差减小一倍，从而有效的提高双频外差激光干涉仪的测量精度。
[0029] 实验系统中相位测量的采样数据位数为二进制的9位，则相位测量分辨率R为
[0030] 当N = 4时，
则系统位移测量的分辨率为
[0032] 本实用新型涉及了一种四倍程的双频外差激光干涉仪，使得激光源在双频外差激 光干涉仪的干涉臂和测量臂各走了四个来回，实现了光路的八细分，使得双频外差激光干 涉仪的位移测量分辨率达到〇. 15nm，可有效减少双频外差激光干涉仪的光学非线性误差， 提高其测量精度。
【主权项】
1. 一种四倍程的双频外差激光干涉仪，其特征是包括一个双频激光器（1)，偏振分光 镜（2)，二个四分之一波片（3)、（5)，移动镜（4)，固定镜（6)，二个角锥棱镜（7)、（8)，在双 频激光器（1)的输出光路上设置一偏振分光镜（2)，在该偏振分光镜（2)的透射光方向设置 有第一四分之一波片（3)和移动镜（4)，在该偏振分光镜（2)的反射光方向设置有第二四分 之一波片（5)和固定镜（6)，在第二四分之一波片（5)和固定镜（6)相对于偏振分光镜（2) 对称的方向设置第一角锥棱镜（7)，在双频激光器（1)和偏振分光镜（2)之间设置第二角锥 棱镜（8)。2. 根据权利要求1所述的四倍程的双频外差激光干涉仪，其特征是第一四分之一波片 (3)和第二四分之一波片（5)的快轴方向分别与经偏振分光镜（2)透射的p偏振光的偏振 方向和经偏振分光镜（2)反射的s偏振光的振动方向分别成45°夹角；在光束输出的方向 双频激光器和偏振分光镜之间设置第二角锥棱镜（8)使得光路在双频外差激光干涉仪的 两个干涉臂中各走了四个来回。
【专利摘要】本实用新型公开了一种四倍程的双频外差激光干涉仪，包括双频激光器，偏振分光镜，二个四分之一波片，移动镜，固定镜和二个角锥棱镜。其特征是稳定性能好，结构简单，测量信号的四倍程光路可提高双频外差激光干涉仪的测量精度，使得双频外差激光干涉仪的分辨率达到0.15nm，主要适用于纳米技术、超精密机械加工、微型机电系统的制造与检测等涉及的精密测量领域。
【IPC分类】G01B11/02, G01B9/02
【公开号】CN205014944
【申请号】CN201520264628
【发明人】刘亚睿, 许素安, 钱飞, 张锋
【申请人】中国计量学院
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年4月27日