基于X射线干涉仪的多重倍频激光读数头测量装置及方法

本发明涉及激光测量装置及方法，具体涉及一种基于x射线干涉仪的多重倍频激光读数头测量装置及方法。

背景技术：

1、多重倍频激光测量装置是以激光波长作为测量标尺，对测量标尺进行更加精细的结构划分，而在激光光学的高倍细分领域，以激光入射两次光学细分和四次光学细分最为常见，经常用于对测量基准镜的定位和校准，却无法实现更高精度和更高精细度的位移测量，限制了激光测量装置在光学结构多重细分层次的发展，因此，选择多重倍频激光来精准获取测量基准镜的多重位移测量以实现超精密的光学位移信息。

2、随着国际高精尖产品的层出不穷，航空航天的超精密装备和极紫外光刻机的精准位移等领域都对进入皮米级测量精度需求迫切。从2018年到至今，国际局势变化日益复杂，核心的高精尖设备已经成为每一个国家在国际竞争之中的战略需求，例如：极紫外光刻机中晶圆台的超精密定位、精尖小型制造设备的超精准控制等都需要皮米级测量技术，其核心部件波及超精密光学元件、超精准机械装备、超精细结构面形。研究中，为了实现超精密测量技术，多采用连续脉冲激光、超短脉冲激光、飞秒脉冲激光等激光光源或利用双光束、三光束、甚至是多光束，但这些方式不仅成本高，而且适用范围也会大大降低；除此之外，最常见的就是高倍细分，从结构入手，进行光学细分和电学细分，如英国npl、德国ptb和意大利imcc三个国家实验室联合开展的组合式光学x射线干涉仪，在10μm范围内达到10pm的测量精度，在1mm范围内达到100pm的测量精度，不过由于其测量范围小，测量速度低，各种误差引起的测量结果变化过大，而导致应用范围受限。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于x射线干涉仪的多重倍频激光读数头测量装置及方法，以解决现有的多重倍频激光测量装置测量范围小，测量速度低，各种误差引起的测量结果变化过大，而导致应用范围受限的技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明提供了一种基于x射线干涉仪的多重倍频激光读数头测量装置，其特殊之处在于：包括x射线干涉仪和多重倍频激光干涉仪；

3、所述x射线干涉仪包括x射线光源、第一透射光栅、第二透射光栅、第三透射光栅、第一光电探测器和第二光电探测器；

4、所述x射线光源用于发射x射线，并使x射线以布拉格角入射至第一透射光栅；

5、所述第一透射光栅、第二透射光栅和第三透射光栅的光栅面及栅线方向一致；

6、所述第一透射光栅接收x射线并使x射线发生衍射，形成1级衍射光和2级衍射光；

7、所述第二透射光栅接收1级衍射光和2级衍射光，并使1级衍射光发生衍射形成(1，2)级衍射光，使2级衍射光发生衍射形成(2，-2)级衍射光；

8、所述第三透射光栅接收(1，2)级衍射光和(2，-2)级衍射光，使(1，2)级衍射光发生衍射形成(1，2，-1)级衍射光和(1，2，-2)级衍射光，使(2，-2)级衍射光发生衍射形成(2，-2，2)级衍射光和(2，-2，1)级衍射光；所述第三透射光栅上与其栅线垂直的一个侧面上用于安装待测基准镜；

9、所述(1，2，-1)级衍射光和(2，-2，2)级衍射光发生干涉，同时入射至第一光电探测器；(1，2，-2)级衍射光和(2，-2，1)级衍射光发生干涉，同时入射至第二光电探测器；所述第一光电探测器和第二光电探测器根据接收到的光信号，记录第三透射光栅沿x向移动的栅距信息，x向为栅线方向；

10、所述多重倍频激光干涉仪设置于待测基准镜远离x射线干涉仪一侧，以基于所述栅距信息获取待测基准镜在y向上的位置，以及待测基准镜沿x向和z向的位移，其中z向为垂直光栅栅线的方向。

11、进一步地，所述多重倍频激光干涉仪包括激光器、参考单元、测量单元以及第三光电探测器；

12、所述激光器用于发射偏振光；

13、所述参考单元接收所述偏振光，一部分偏振光形成参考信号，另一部分偏振光改变偏振方向进入所述测量单元和待测基准镜，经测量单元和待测基准镜作用后再被参考单元分光形成测量信号；

14、所述第三光电探测器接收所述参考信号和测量信号，形成干涉信号，。

15、进一步地，所述测量单元包括偏振分光棱镜、第二反射镜、第一直角棱镜、第二直角棱镜和第三反射镜；

16、所述偏振分光棱镜包括四侧，其第一侧与第三侧相对、第二侧与第四侧相对，其第四侧与设置在第三透射光栅上的待测基准镜相对；

17、所述参考单元和第二直角棱镜均位于所述偏振分光棱镜的第一侧，所述参考单元与偏振分光棱镜之间的光线位于第二直角棱镜与偏振分光棱镜间光线的上方；

18、所述第二反射镜设置于所述偏振分光棱镜第二侧的光路上；

19、所述第一直角棱镜和第三反射镜均设置于所述偏振分光棱镜第三侧的光路上，第一直角棱镜与偏振分光棱镜之间的光线位于第三反射镜与偏振分光棱镜间光线的上方。

20、进一步地，所述测量单元还包括第一四分之一波片和第二四分之一波片；

21、所述第一四分之一波片设置在偏振分光棱镜与待测基准镜之间的光路上；

22、所述第二四分之一波片设置在偏振分光棱镜与第二反射镜之间的光路上。

23、进一步地，所述参考单元包括分光棱镜、第一反射镜和偏振片；

24、所述分光棱镜包括四侧，其第一侧与第三侧相对、第二侧与第四侧相对；所述激光器设置于所述分光棱镜第一侧的光路上；所述激光器为单频激光器，发射的偏振光为45°偏振光；所述第三光电探测器设置于所述分光棱镜第二侧的光路上；

25、所述第一反射镜设置于所述分光棱镜第四侧的光路上；

26、所述偏振片设置于所述分光棱镜的第三侧，且位于分光棱镜与偏振分光棱镜之间的光路上，用于将所述45°偏振光的方向改变为垂直线偏振光入射至偏振分光棱镜。

27、进一步地，所述多重倍频激光干涉仪包括激光器、参考单元、测量单元以及光纤耦合器；

28、所述激光器用于发射偏振光；

29、所述参考单元接收所述偏振光，并将其透射至所述测量单元；

30、所述测量单元接收参考单元透射的光线，将其分为频率为f1的垂直线偏振光和频率为f2的水平线偏振光，频率为f1的垂直线偏振光和频率为f2的水平线偏振光经测量单元和待测基准镜作用后再被参考单元按能量分光形成两束相互垂直的线偏振光测量信号；

31、所述光纤耦合器接收两束相互垂直的线偏振光测量信号并调制其偏振状态，形成干涉信号。

32、进一步地，所述测量单元包括偏振分光棱镜、第二反射镜、第一直角棱镜、第二直角棱镜和第三反射镜；

33、所述偏振分光棱镜包括四侧，其第一侧与第三侧相对、第二侧与第四侧相对，其第四侧与设置在第三透射光栅上的待测基准镜相对；

34、所述参考单元和第二直角棱镜均位于所述偏振分光棱镜的第一侧，所述参考单元与偏振分光棱镜之间的光线位于第二直角棱镜与偏振分光棱镜间光线的上方；

35、所述第二反射镜设置于所述偏振分光棱镜第二侧的光路上；

36、所述第一直角棱镜和第三反射镜均设置于所述偏振分光棱镜第三侧的光路上，第一直角棱镜与偏振分光棱镜之间的光线位于第三反射镜与偏振分光棱镜间光线的上方。

37、进一步地，所述测量单元还包括第一四分之一波片和第二四分之一波片；

38、所述第一四分之一波片设置在偏振分光棱镜与待测基准镜之间的光路上；

39、所述第二四分之一波片设置在偏振分光棱镜与第二反射镜之间的光路上。

40、进一步地，所述参考单元包括分光棱镜；

41、所述分光棱镜包括四侧，其第一侧与第三侧相对、第二侧与第四侧相对，分光棱镜的第三侧与偏振分光棱镜相对；

42、所述激光器设置于所述分光棱镜第一侧的光路上；所述激光器为双频激光器；

43、所述光纤耦合器设置于所述分光棱镜第二侧的光路上。

44、同时，本发明还提供了一种基于x射线干涉仪的多重倍频激光读数头测量方法，采用上述的基于x射线干涉仪的多重倍频激光读数头测量装置，其特殊之处在于，包括以下步骤：

45、步骤1、将x射线干涉仪中第三透射光栅连接于待测基准镜的下方，使待测基准镜与第三透射光栅的栅线垂直；

46、步骤2、使x射线光源发射x射线，x射线以布拉格角入射至第一透射光栅；同时，多重倍频激光干涉仪启动工作；

47、步骤3、x射线经第一透射光栅发生衍射，形成1级衍射光和2级衍射光；1级衍射光经第二透射光栅发生衍射形成(1，2)级衍射光；2级衍射光经第二透射光栅发生衍射形成(2，-2)级衍射光；(1，2)级衍射光和(2，-2)级衍射光同时入射至第三透射光栅发生衍射干涉；其中，(1，2)级衍射光经第三透射光栅发生衍射，形成(1，2，-1)级衍射光和(1，2，-2)级衍射光；(2，-2)级衍射光经第三透射光栅发生衍射，形成(2，-2，2)级衍射光和(2，-2，1)级衍射光；(1，2，-1)级衍射光和(2，-2，2)级衍射光发生干涉，同时入射至第一光电探测器；(1，2，-2)级衍射光和(2，-2，1)级衍射光发生干涉，同时入射至第二光电探测器；

48、步骤4、第一光电探测器和第二光电探测器同时记录第三透射光栅沿x向移动的栅距信息，基于所述栅距信息通过多重倍频激光干涉仪获取待测基准镜在y向上的位置，以及沿x向和z向的位移，从而获得待测基准镜的位移。

49、本发明的有益效果：

50、与现有的技术相比，本发明突出展现的是多重倍频以获取高的光学细分倍数，光路可逆原理以获取双倍的多重倍频倍数，x射线干涉仪形成组合干涉仪以获取单一条纹移动量的多倍条纹细分倍数；而且入射激光的多重反射可实现待测基准镜的精准调控，为大口径面形装备及高精度面形测量提供新的途径；本发明通过多重倍频激光干涉仪的多重倍频特性和组合测量下x射线干涉仪的测量细分特性，使整体激光测量装置能够获取皮米级的位移测量值。