基于一体式双偏振分光组件的外差激光干涉仪及测量方法

本发明涉及一种外差激光干涉仪及测量方法，具体涉及一种基于一体式双偏振分光组件的外差激光干涉仪及测量方法，属于激光应用。

背景技术：

1、外差干涉仪具有较大的动态范围、高精度、高信噪比和抗干扰强等优点。目前，在微机电系统、大型集成电路制造装备等许多领域都需要进行高精度和高稳定性的测量，外差干涉仪是最常见且测量精度最高的测试仪器。随着高端装备工程的不断发展，制造技术和精密工程对外差干涉仪提出了到亚纳米深亚纳米级位移测量分辨率测量精度需求。

2、传统外差干涉仪的亚纳米性能受到纳米级周期非线性误差的限制，周期非线性源于干涉光路中的光学混叠，为了减少周期性误差，国内外学者相继研发了不同类型的空间分离式外差干涉仪，相比传统的外差激光干涉仪，它们的周期非线性误差降低，但考虑到高度集成性、小体积传感测量等需求，目前外差干涉仪都存在一定的局限性。

3、美国学者steven r.gillmer等研制的外差激光干涉仪(development of a novelfiber-coupled three degree-of-freedom displacement interferometer.universityof rochester master thesis,2013)结构简单，光路对称且热稳定性良好，但仅将周期非线性误差降低至0.5nm，并没有显著领先于传统外差干涉仪。

4、德国学者christoph weichert等设计的外差激光干涉仪(a heterodyneinterferometer with periodic nonlinearities smaller than±10pm.meas.sci.technol.,2012,23(9):094005-094011)周期非线性误差小于10pm，但其结构复杂、元件定制和集成装配难度大，并且各光学元件分离或集成后导致该外差激光干涉仪的体积增大，并且降低了热稳定性。

5、清华大学的赵世杰等设计的外差激光干涉仪(green laser interferometricmetrology system with sub-nanometer periodic nonlinearity[j].applied optics,2016,55(11):3006-3011)将周期非线性降低至0.1nm，虽然其各干涉测量组件集成到一个棱镜上，但体积较大，而且光学面设计加工复杂，热稳定性差

6、此外，哈尔滨工业大学学者胡鹏程等在专利cn111442715b中提出了一种空间分离式外差激光干涉仪，显著降低了周期非线性误差且热稳定性良好，但诸如角锥棱镜等复杂光学元件较多，不易集成，不适用于小体积传感测量需求。

7、综上所述，现有的空间分离式外差激光干涉仪均难以同时满足传感测头体积小、易于集成、热稳定性好及亚纳米级周期非线性误差的需求，外差激光干涉仪的综合测量能力受严重限制。

技术实现思路

1、本发明为了克服上述现有的空间分离式外差激光干涉仪均难以同时满足传感测头体积小、易于集成、热稳定性好及亚纳米级周期非线性误差需求的问题，提供了一种基于一体式双偏振分光组件的外差激光干涉仪及测量方法，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

2、本发明的技术方案一：

3、基于一体式双偏振分光组件的外差激光干涉仪，包括：

4、激光光源，用于提供两束不同频率的空间分离光束；两束不同频率的空间分离光束分别定义频率为f1的第一输入光束、频率为f2的第二输入光束；所述第一输入光束和第二输入光束不必是偏振光；

5、所述激光光源的输出光路上设置有一体式双偏振分光组件，所述第一输入光束入射至一体式双偏振分光组件后被分成第一测量光束和第一参考光束；第二输入光束入射至一体式双偏振分光组件后被分成第二测量光束和第二参考光束；

6、所述一体式双偏振分光组件包括第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片、第三四分之一波片、第四四分之一波片、二分之一波片、第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片、第四偏振片；

7、所述第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜左右并列设置，且相邻端面间安装有二分之一波片；

8、所述第一偏振分光棱镜的前端面上贴附有第一偏振片，左端面上贴附有第三偏振片，后端面上贴附有第一四分之一波片；第三偏振片上贴附有第三四分之一波片，

9、所述第二偏振分光棱镜的前端面上贴附有第二偏振片，右端面上贴附有第四偏振片，后端面上贴附有第二四分之一波片；第四偏振片上贴附第四四分之一波片；

10、所述第一四分之一波片的输出光路上设置有第一目标反射镜；

11、所述第二四分之一波片的输出光路上设置有第二目标反射镜；

12、所述第三四分之一波片的输出光路上设置有第一光电探测器；

13、所述第四四分之一波片的输出光路上设置有第二光电探测器。

14、进一步的：所述第一偏振片和第二偏振片的偏振轴方向均为不水平且不铅垂的方向，所述第三偏振片和第四偏振片的偏振轴方向均为水平方向；所述第一四分之一波片和第二四分之一波片的快轴方向平行，且和第一偏振分光棱镜或第二偏振分光棱镜的水平透射偏振方向为不平行且不垂直关系。

15、进一步地：所述第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜尺寸相同且关于二分之一波片镜像对称设置。

16、进一步地：所述第一测量光束和第二参考光束以及第二测量光束和第一参考光束均在一体式双偏振分光组件中的行进路径长度相等。

17、进一步地：所述的第一目标反射镜包括：平面镜、后向反射器，第二目标反射镜包括：平面镜、后向反射器、镀反射膜；第一目标反射镜和第二目标反射镜保持静止或运动。

18、本发明的技术方案二：

19、基于一体式双偏振分光组件的外差激光干涉仪的测量方法，所述外差激光干涉仪为技术方案一所述的基于一体式双偏振分光组件的外差激光干涉仪；

20、测量方法包括以下步骤：

21、所述第一输入光束透射第一偏振片变为水平偏振光，所述第二输入光束透射第二偏振片变为水平偏振光；

22、所述第一输入光束入射至第一偏振分光棱镜后其透射光束形成第一测量光束，其反射光束形成第一参考光束；

23、所述第二输入光束入射至第二偏振分光棱镜后其透射光束形成第二测量光束，其反射光束形成第二参考光束；

24、所述第一测量光束均继续透射在第一四分之一波片的偏振态变换作用下接触第一目标反射镜，随后携带多普勒频移在第一偏振分光棱镜反射输出；

25、所述第二测量光束均继续透射在第二四分之一波片的偏振态变换作用下接触第二目标反射镜，随后携带多普勒频移在第二偏振分光棱镜反射输出；

26、同时，所述第一参考光束在二分之一波片的偏振态变换作用下在第一偏振分光棱镜透射输出；

27、第二参考光束在二分之一波片的偏振态变换作用下在第二偏振分光棱镜透射输出，且第一参考光束和第二参考光束频率不变；

28、输出的第一测量光束和第二参考光束在输出行进路径中至少有一部分重合并形成第一干涉信号，且第一参考光束和第二测量光束在输出行进路径中至少有一部分重合并形成第二干涉信号；

29、最终，所述第一光电探测器接收第一干涉信号，第二光电探测器接收第二干涉信号，第一干涉信号和第二干涉信号经过信号处理后即得到目标反射镜在不同自由度的位置变化信息。

30、本发明的技术方案三：

31、基于一体式双偏振分光组件的外差激光干涉仪，包括：

32、激光光源，用于提供两束不同频率的空间分离光束；两束不同频率的空间分离光束分别定义频率为f1的第一输入光束、频率为f2的第二输入光束；所述第一输入光束和第二输入光束为偏振光，第一输入光束和第二输入光束偏振入射且偏振方向均为水平方向；

33、所述激光光源的输出光路上设置有一体式双偏振分光组件；

34、所述一体式双偏振分光组件包括第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片、第三四分之一波片、第四四分之一波片、二分之一波片、第三偏振片、第四偏振片；

35、所述第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜左右并列设置，且相邻端面间安装有二分之一波片；

36、所述第一偏振分光棱镜的左端面上贴附有第三偏振片，后端面上贴附有第一四分之一波片；第三偏振片上贴附有第三四分之一波片，

37、所述第二偏振分光棱镜的右端面上贴附有第四偏振片，后端面上贴附有第二四分之一波片；第四偏振片上贴附第四四分之一波片；

38、所述第一四分之一波片的输出光路上设置有第一目标反射镜；

39、所述第二四分之一波片的输出光路上设置有第二目标反射镜；

40、所述第三四分之一波片的输出光路上设置有第一光电探测器；

41、所述第四四分之一波片的输出光路上设置有第二光电探测器。

42、进一步的：所述第三偏振片和第四偏振片的偏振轴方向均为不水平且不铅垂的方向；所述第一四分之一波片和第二四分之一波片的快轴方向平行，且和第一偏振分光棱镜或第二偏振分光棱镜的水平透射偏振方向为不平行且不垂直关系。

43、进一步地：所述第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜尺寸相同且关于二分之一波片镜像对称设置。

44、进一步地：所述第一测量光束和第二参考光束以及第二测量光束和第一参考光束均在一体式双偏振分光组件中的行进路径长度相等。

45、进一步地：所述的第一目标反射镜包括：平面镜、后向反射器，第二目标反射镜包括：平面镜、后向反射器、镀反射膜；第一目标反射镜和第二目标反射镜保持静止或运动。

46、本发明的技术方案四：

47、基于一体式双偏振分光组件的外差激光干涉仪的测量方法，所述外差激光干涉仪为技术方案三所述的基于一体式双偏振分光组件的外差激光干涉仪；

48、测量方法包括以下步骤：

49、所述第一输入光束入射至第一偏振分光棱镜后其透射光束形成第一测量光束，其反射光束形成第一参考光束；

50、所述第二输入光束入射至第二偏振分光棱镜后其透射光束形成第二测量光束，其反射光束形成第二参考光束；

51、所述第一测量光束均继续透射在第一四分之一波片的偏振态变换作用下接触第一平面反射镜，随后携带多普勒频移在第一偏振分光棱镜反射输出；

52、所述第二测量光束均继续透射在第二四分之一波片的偏振态变换作用下接触第二平面反射镜，随后携带多普勒频移在第二偏振分光棱镜反射输出；

53、同时，所述第一参考光束在二分之一波片的偏振态变换作用下在第一偏振分光棱镜透射输出，

54、所述第二参考光束在二分之一波片的偏振态变换作用下在第二偏振分光棱镜透射输出，且第一参考光束和第二参考光束频率不变；

55、输出的第一测量光束和第二参考光束在输出行进路径中至少有一部分重合并形成第一干涉信号，且第一参考光束和第二测量光束在输出行进路径中至少有一部分重合并形成第二干涉信号；

56、最终，所述第一光电探测器接收第一干涉信号，第二光电探测器接收第二干涉信号，第一干涉信号和第二干涉信号经过信号处理后即可得到目标平面反射镜在不同自由度的位置变化信息。

57、本发明有益效果体现在：

58、(1)本发明中，外差激光干涉仪主体包括两个空间对称的偏振分光棱镜及其他偏振元件，一方面体积相较于目前空间分离式外差干涉仪更小，另一方面易于集成装配，相较于目前空间分离式外差干涉仪设计装调更加灵活并降低了加工难度和加工误差。

59、(2)本发明中，外差激光干涉仪的第一入射光束和第二入射光束在最终干涉之前在空间上是分离的，同时多个偏振元件抑制了光学混叠，降低了周期非线性误差，将周期非线性误差降低至0.1纳米以内；同时，所述第一测量光束和第二参考光束以及第二测量光束和第一参考光束均在一体式双偏振分光组件中的行进路径长度相等，使得外差激光干涉仪理论热漂移为零，结构热稳定性很好；综上所述，本发明的外差激光干涉仪相较于其他空间分离式外差激光干涉仪同时兼顾了以上优势，更适用于位移测量空间狭窄的应用场合。