反射薄片36，每个反射薄片36将每束激光反射到对应的光电探测器件；激光源I发出的对应激光束经过分光镜2透射后，分别垂直入射到移动反射镜4后再反射到对应的光电探测器件。需要说明的是，文中的λ为激光源I发出的激光波长，激光源I发出的每束激光波长均一样。
[0025]该激光干涉仪的激光源I发出的激光束数量、阶梯面平面数量和光电探测器组5的光电探测器件数量均为n(n ^ 2)，且为一一对应，即激光源I发射的每束激光均分为两路，一路激光通过分光镜2反射到固定反射镜3的阶梯面的其中一个平面后，反射回分光镜2再入射到光电探测器组5上的其中一个光电探测器件，另一路激光直接在分光镜2内透射后垂直入射到移动反射镜4后再反射到分光镜2，分光镜2再将其反射到同一个光电探测器件，该光电探测器件即能探测到这两路光程差在移动反射镜4发生位移过程中是否产生干涉状态，即相长干涉或相消干涉。由于固定反射镜3上的阶梯面，所以激光源I发射的各束激光通过固定反射镜3的阶梯面反射后的光路的光程是不相同的，同时激光源I发射的每束激光分成两路后到达对应的光电探测器组5后的光程差值均不相同，能够发生干涉现象不仅和激光的波长有关，还和阶梯面的平面高度差值有关系，由于该阶梯面的相邻两个平面高度差值h等于λ/2n+k λ/2，因此，只要移动反射镜4进行移动λ/2η的距离或整数倍于λ/2η的距离，该光电探测器上的光电探测器组5均有其中一个能够检测出其处于最强激光干涉状态，故该激光干涉仪的检测精度则变为λ/2η，相对于现有的激光干涉仪只能检测精度为激光波长λ而言，该测量精度得到了显著提高，该测量精度即由固定反射镜3的阶梯面的相邻两个阶梯平面的间距(也可称为高度或厚度)以及激光源I的激光波长决定。
[0026]该固定反射镜3包括平面反射镜本体35以及η-l个厚度h相同的反射薄片36组合而成，每个所述反射薄片36的厚度h为λ /2n。该阶梯面通过η-l个厚度h相同的反射薄片36叠加在平面反射镜本体35上而成，平面反射镜本体35为表面为平面的激光干涉仪用普通反射镜，其中每个反射薄片36的厚度h均为λ/2η。同时，该平面反射镜本体35以及η-l个厚度h相同的反射薄片36可以为一体成型体，避免分块的反射薄片36连接在一起产生的相邻两个反射薄片36形成的两个阶梯平面的高度误差。
[0027]如图2所示，所有的激光源I发出的η个激光束等距分布，此时，选择η = 4，k =0，激光源I发出的激光束分别为激光束一 11、激光束二 12、激光束三13、激光束四14，且相邻两个激光束的间距d等于激光波长的整数倍。选择663纳米的激光波长，相邻激光源I发出的相邻激光束的间距d为4毫米。对应的光电探测器组5接收激光的光电探测器件也分别为四个，即光电探测器件一 51、光电探测器件二 52、光电探测器件三53、光电探测器件四54。
[0028]此时，固定反射镜3上的阶梯型反射平面也相应选为四个，即反射平面一 31、反射平面二 32、反射平面三33、反射平面四34，如图3所示，选用四个反射平面成阶梯型平面以便于加工和降低成本。该光程路线为激光束一 11发出的激光在分光镜2分成两路，一路被分光镜2反射后入射到固定反射镜3，被反射平面一 31反射到分光镜2后再透射并入射到光电探测器件一 51，该激光的另一路则直接在分光镜2透射后入射到移动反射镜4，被反射到分光镜2后，分光镜2再次将该激光反射至光电探测器件一 51。以此类推，其他的激光束二 12、激光束三13、激光束四14分别被反射平面二 32、反射平面三33、反射平面四34反射，并分别被光电探测器件二 52、光电探测器件三53、光电探测器件四54接收。根据计算，由于采用了四个阶梯型反射平面，相邻两个反射平面的高度差为λ /8，因此通过激光束一11、激光束二 12、激光束三13、激光束四14所发出的激光经过固定反射镜3反射后的光程差值分别为 B1 λ、a2 λ - λ /4、a3 λ - λ /2、a4 λ -3 λ /4，其中 a” a2、a3、a4为自然数。
[0029]当激光束一 11正处于最强干涉状态时，即激光束一 11发出的激光分成两路后的光程差值为％ λ，通过光电探测器件一 51可以测量出激光处于最强干涉状态，此时激光束二 12所对干涉光路、激光束三13所对干涉光路以及激光束四14所对干涉光路的两路光程差值分别为:a2 λ - λ /4、a3 λ - λ /2、a4 λ -3 λ /4，二者光路此时均处于非最强干涉状态。
[0030]当移动反射镜4移动λ/8，使激光源一 11分成的两路激光光程差值增加λ/4时，其他激光源的激光光程差也相应增加λ/4，此时，激光束一 11发出的激光分成两路的光程差值为B1 λ + λ /4，处于非最强干涉状态，而激光束二 12发出的激光分成两路的光程差值则变为a2 λ，因此光电探测器件二 52能够检测到干涉光路处于最强干涉状态，激光束三13和激光束四14的激光也处于非最强干涉状态。当移动反射镜4移动λ /4时，激光束三13所对干涉光路将处于最强干涉状态，通过光电探测器件三53可以测量出激光最强干涉状态。
[0031]类似的，当移动反射镜4移动3 λ /8时，使激光束一 11分成的两路激光光程差值增加3 λ /4时，其他激光束的激光光程差也相应增加3 λ /4，此时激光束四14发出的激光分成两路的光程差值则变为a4A，其激光分成的两路光路将处于相长干涉状态，通过光电探测器件四54可以测量出激光干涉状态。
[0032]再次，当移动反射镜4移动λ /2时，使激光束一 11分成的两路激光光程差值增加λ时，其他激光束的激光光程差也相应增加λ，激光束一 11所对干涉光路又将处于最强干涉状态，通过光电探测器件一 11可以测量出激光最强干涉状态。因此，对于四阶梯平面激光反射结构所对应的激光干涉仪所对应的测量精度就为λ /8，即移动反射镜4位移等于或大于λ/8，相应的光电探测器组5即能够观测出激光源I发射的四束激光的光路的干涉状态明显变化。
[0033]因此，增加固定反射镜3的阶梯反射平面数量可以提高测量精度，当采用8阶梯反射平面的激光反射镜结构，所对应的激光干涉仪所对应的测量精度则为λ /16，当采用η阶梯反射平面的固定反射镜3结构时，该激光干涉仪的测量精度就相应变为λ /2ηο
[0034]由于采用多光路干涉测量，测量过程中，各光电探测器探测到的直流电平应该交替变化，如果某一光路的测量环境的变化造成光电探测器测量的直流电平发生偏移，而其它测量光路的光电探测器探测到的直流电平没有发生交替变化，此时认为该测量光路是受到测量环境的影响，忽略其电平变化。如果多条光路的测量环境的变化造成多个光电探测器测量的直流电平发生偏移，则认为测量环境发生变化，忽略其电平变化。仅仅对于测量过程中严格满足多光路干涉状态交替变化的情况才对其进行计数，即多光路干涉测量中引入交流信号，将传统的激光干涉测量中直流电平的测量转换为交流信号的测量，提高了干涉仪的抗干扰能力。
[0035]以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述【具体实施方式】，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1.一种多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪，包括激光源(I)、分光镜(2)、固定反射镜(3)、移动反射镜(4)、光电探测器组(5)，其特征在于，所述激光源(I)包括η个平行激光束，其中η多2，所述光电探测器组(5)包括η个光电探测器件，所述固定反射镜(3)的反射面为η个成阶梯型的反射平面，相邻两个反射平面的间距等于入/211+1^入/2，其中1^为自然数、λ为激光源(I)发出的激光波长；每个所述激光源(I)发出的激光经过所述分光镜(2)反射后，垂直射入对应一个反射平面，每个所述反射平面将对应激光束反射到对应的所述光电探测器组(5)的各个光电探测器件；所述激光源(I)发出的每束激光经过所述分光镜(2)透射后，分别垂直入射到所述移动反射镜(4)后反射到对应的光电探测器组(5)的各个光电探测器件。
2.根据权利要求1所述的一种多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪，其特征在于，所述固定反射镜(3)包括平面反射镜本体(35)以及η-1个反射薄片(36)组合而成，每个所述反射薄片(36)的厚度为入/211+1^入/2，其中1^为自然数。
3.根据权利要求2所示的一种多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪，其特征在于，每个所述反射薄片(36)厚度均为λ/2η。
4.根据权利要求3所述的一种多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪，其特征在于，所述反射镜本体(35)以及η-1个厚度相同的反射薄片(36)为一体成型体。
【专利摘要】本发明公开了一种多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪，包括激光源、分光镜、固定反射镜、移动反射镜、光电探测器组，其中激光源包括n(n≥2)个平行激光束，光电探测器组包括n个光电探测器件，固定反射镜的反射面为n个阶梯平面，相邻两个反射平面间距为λ/2n+kλ/2(k为自然数)；每束激光经分光镜后变为两束，其中一束经固定反射镜反射后从分光镜透射，到达光电探测器，同时另一束激光依次经移动反射镜、分光镜反射后也入射至该光电探测器。该激光干涉仪产生的激光干涉现象不仅和激光波长有关，还和阶梯型反射平面高度差值有关，该光电探测器组能够检测到精度达到λ/2n级别的位移，显著提高了测量精度。
【IPC分类】G01B9-02
【公开号】CN104713474
【申请号】CN201510144208
【发明人】张白, 康学亮, 毛建东
【申请人】北方民族大学
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2015年3月30日