一种高精度激光干涉仪及其测量方法

本发明涉及位移测量装置及方法，具体涉及一种高精度激光干涉仪及其测量方法。

背景技术：

1、激光干涉仪是以激光波长为测量标尺，利用干涉信号的测量频率变化和相位延迟量改变来实现高精度位移测量，具有激光特有的高方向性、高单色性和高相干性，可以广泛应用于超高精度光刻机和先进飞机船舶的高端装备装配，随着高端制造业的提出，超精密的加工制造中的超精密激光干涉仪在极端情况下的超精密、多源装备下的多维度、多物理场调控下的精准反馈和精密定位等需求越来越高。

2、现有的激光干涉仪中，以超精密多轴干涉镜组和超精准高分辨力的激光干涉仪最为突出，比较广泛的是两次入射下以实现四倍光学细分的超精密位移测量组，而为了达到皮米级的位移测量精度和测量定位准确度，较为广泛的是采用多组激光干涉仪测量组进行多维测量和多组入射进行高精准定位检测，但不论是以上哪种激光干涉仪，其中均会加入死程误差和光波平行度误差而导致测量精度受限，因此现需提供一种可靠性更强、精度更高的激光干涉仪。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种高精度激光干涉仪及其测量方法，以解决现有的激光干涉仪测量精度较低，导致其测量结果不可靠的技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明提供了一种高精度激光干涉仪，其特殊之处在于：包括双频激光器、偏振分光棱镜、参考镜、第一反射棱镜、第二反射棱镜以及光纤耦合器；

3、所述偏振分光棱镜包括四侧，其中第一侧与第三侧相对，第二侧与第四侧相对；所述偏振分光棱镜的第三侧出射光束所在的光路上用于设置待测镜；所述双频激光器位于偏振分光棱镜的第一侧用于向偏振分光棱镜出射具有频差的正交线偏振光；所述偏振分光棱镜用于将正交线偏振光反射产生参考光、透射产生测量光；

4、所述参考镜设置于偏振分光棱镜第二侧出射光束所在的光路上；

5、所述第一反射棱镜设置于偏振分光棱镜第四侧出射光束所在的光路上，用于改变光束路径并使其返回偏振分光棱镜；

6、所述第二反射棱镜和光纤耦合器均位于偏振分光棱镜的第一侧；所述第二反射棱镜能够接收经第一反射棱镜改变光束路径后从偏振分光棱镜出射的光束，用于改变光束路径并使其返回偏振分光棱镜；所述光纤耦合器用于接收最终经偏振分光棱镜出射的参考光和测量光。

7、进一步地，还包括第一波片和第二波片；

8、所述第一波片设置在偏振分光棱镜和待测镜之间的光路上；

9、所述第二波片设置在偏振分光棱镜和参考镜之间的光路上。

10、进一步地，所述第一波片和第二波片均为四分之一波片。

11、同时，本发明还提供了一种基于上述高精度激光干涉仪的测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

12、步骤1、双频激光器向偏振分光棱镜出射具有频差的正交线偏振光，经偏振分光棱镜反射形成参考光、透射形成测量光；

13、步骤2、所述参考光依次经参考镜反射、偏振分光棱镜透射、第一反射棱镜两次反射改变路径入射至偏振分光棱镜、偏振分光棱镜透射、参考镜反射、偏振分光棱镜反射、第二反射棱镜两次反射改变路径入射至偏振分光棱镜、偏振分光棱镜反射、参考镜反射、偏振分光棱镜透射、第一反射棱镜两次反射改变路径入射至偏振分光棱镜、偏振分光棱镜透射、参考镜反射、偏振分光棱镜反射，最终入射至光纤耦合器；

14、所述测量光依次经待测镜反射、偏振分光棱镜反射、第一反射棱镜两次反射改变路径入射至偏振分光棱镜、偏振分光棱镜反射、待测镜反射、偏振分光棱镜透射、第二反射棱镜两次反射改变路径入射至偏振分光棱镜、偏振分光棱镜透射、待测镜反射、偏振分光棱镜反射、第一反射棱镜两次反射改变路径入射至偏振分光棱镜、偏振分光棱镜反射、待测镜反射、偏振分光棱镜透射，最终入射至光纤耦合器；

15、步骤3、所述光纤耦合器接收最终经偏振分光棱镜出射的参考光和测量光，耦合产生干涉光束，完成待测镜的位移测量。

16、进一步地，步骤2中：介于偏振分光棱镜和待测镜之间的光束还会经过第一波片的透射；介于偏振分光棱镜和参考镜之间的光束还会经过第二波片的透射；所述第一波片和第二波片均为四分之一波片。

17、本发明还提供了一种高精度激光干涉仪，其特殊之处在于：包括双频激光器、偏振分光棱镜、参考镜、第一反射棱镜、第二反射棱镜以及光纤耦合器；

18、所述偏振分光棱镜包括四侧，其中第一侧与第三侧相对，第二侧与第四侧相对；所述偏振分光棱镜的第三侧出射光束所在的光路上用于设置待测镜；所述双频激光器设置于偏振分光棱镜的第一侧，用于向偏振分光棱镜出射具有频差的正交线偏振光；所述偏振分光棱镜用于将正交线偏振光反射产生参考光、透射产生测量光；

19、所述参考镜设置于偏振分光棱镜第二侧出射光束所在的光路上；

20、所述第一反射棱镜为梯形反射棱镜，设置于偏振分光棱镜第四侧出射光束所在的光路上，且其大端靠近偏振分光棱镜设置，用于改变光束路径并使其返回偏振分光棱镜；

21、所述第二反射棱镜位于偏振分光棱镜的第一侧，能够接收经第一反射棱镜改变光束路径后从偏振分光棱镜出射的光束，用于改变光束路径并使其返回偏振分光棱镜；

22、所述光纤耦合器设置于第一反射棱镜的小端一侧用于接收最终经偏振分光棱镜出射的参考光和测量光。

23、进一步地，还包括第一波片和第二波片；

24、所述第一波片设置在偏振分光棱镜和待测镜之间的光路上；

25、所述第二波片设置在偏振分光棱镜和参考镜之间的光路上。

26、进一步地，所述第一波片和第二波片均为四分之一波片。

27、同时，本发明还提供了一种基于上述高精度激光干涉仪的测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

28、步骤1、双频激光器向偏振分光棱镜出射具有频差的正交线偏振光，经偏振分光棱镜反射形成参考光、透射形成测量光；

29、步骤2、所述参考光依次经参考镜反射、偏振分光棱镜透射、第一反射棱镜两次反射改变路径入射至偏振分光棱镜、偏振分光棱镜透射、参考镜反射、偏振分光棱镜反射、第二反射棱镜两次反射改变路径入射至偏振分光棱镜、偏振分光棱镜反射、参考镜反射、偏振分光棱镜透射、第一反射棱镜透射，最终从第一反射棱镜小端入射至光纤耦合器；

30、所述测量光依次经待测镜反射、偏振分光棱镜反射、第一反射棱镜两次反射改变路径入射至偏振分光棱镜、偏振分光棱镜反射、待测镜反射、偏振分光棱镜透射、第二反射棱镜两次反射改变路径入射至偏振分光棱镜、偏振分光棱镜透射、待测镜反射、偏振分光棱镜反射、第一反射棱镜透射，最终从第一反射棱镜小端入射至光纤耦合器；

31、步骤3、所述光纤耦合器接收最终经偏振分光棱镜出射的参考光和测量光，耦合产生干涉光束，完成待测镜的位移测量。

32、进一步地，步骤2中：介于偏振分光棱镜和待测镜之间的光束还会经过第一波片的透射；介于偏振分光棱镜和参考镜之间的光束还会经过第二波片的透射；所述第一波片和第二波片均为四分之一波片。

33、本发明的有益效果：

34、1、本发明相比于现有的激光干涉仪，在原来层次上，实现了四次重复反射，获取单次入射实现八倍光学细分，同时相比单次反射结构，四个平行光斑的入射，不需要在每一个维度建立多个激光干涉仪或者多个维度建立不同激光干涉仪，不仅可精准调控测量基底平面镜的在光斑线性上的定位精度，还可以获取在平面镜移动中的水平位置上超精密定位精度。所以，本发明所提出的高精度激光干涉仪测量装置，获取高精度测量的同时，也满足对测量基底的高精准定位。

35、2、本发明进行了四次重复反射，可实现八倍光学细分的高精度位移测量目的，整体结构易于小型化和集成化，从激光位移测量原理上，获取高精度的激光位移值。