CN107462165A - 基于双光栅结构的高光学细分双频光栅干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于双光栅结构的高光学细分双频光栅干涉仪，该光栅干涉仪包括了双频正交激光器、非偏振分束镜、偏振分束镜、四分之一波片、反射镜、标尺光栅、指示光栅、偏振片、光电探测器、数据采集与处理单元等元器件。根据多普勒效应，激光非垂直入射在移动的测量光栅时，衍射光会携有多普勒频移项，该干涉仪利用激光多次在标尺光栅与指示光栅之间衍射，测量光携带多倍频移分量，因此该光栅干涉仪具有高光学细分结构。为提高测量光束信号强度，降低环境噪声的影响，标尺光栅与指示光栅皆为‑1级次高衍射效率反射式光栅。该发明在提高光栅干涉仪的分辨率与稳定性等测量领域都有重要价值。

Description

基于双光栅结构的高光学细分双频光栅干涉仪

技术领域

本发明属于高精密度位移测量领域，特点是基于双光栅结构的高光学细分双频光栅干涉仪。

背景技术

随着高精度制造业向着微型化，便携式方向发展，对于微纳米级高精度定位和测量技术的需求在不断提高，特别是在加工和测量系统中的精确定位和测量。目前主要有两类系统用于测量微纳米精度位移，一类是激光干涉仪，另一类是光栅干涉仪。激光干涉仪被广泛应用于各种测量系统中。激光干涉仪具有高分辨率、高精度、大量程等优势，但其生产成本高，装置复杂，且由于激光干涉仪是以激光波长作为测量基准，易受到环境因素的影响，导致随机测量误差大，因此激光干涉仪的使用受到了一定限制。光栅干涉仪较好的弥补了这一缺陷，由于光栅干涉仪测量基准是光栅周期，因此光栅干涉仪的对于环境干扰因素的抵抗性强，故光栅干涉仪被广泛使用。

无论是激光干涉仪还是光栅干涉仪，提高分辨率，都可对电子细分和光学细分进行提高。电子细分是在光学细分的基础上对于信号的识别。因此通过光路改进提高光学细分对于提高分辨率至关重要。现在市场广泛应用的德国的海德汉、英国的雷尼绍等光栅干涉仪一般采用一次衍射二倍光学细分，或二次衍射四倍光学细分。如海德汉的专利US5574558，美国IBM公司的专利US5442172。我国有专利发明采用高倍数光学细分如CN104729411A，CN104729402B,CN104613865A。本发明相较于以上发明，采用结构更为紧凑的不同周期双光栅自准直结构，制作工艺简单，成本低，安装公差小。本发明使用双光栅结构，旨在提高光学细分以及降低安装误差，最终提高光栅干涉仪的分辨率与精确性，若光栅制作精良，负一级衍射效率极高，达到90％及其以上，则理论上光学细分可以提高到三十二细分及其以上。

发明内容

本发明为基于双光栅的高光学细分双频光栅干涉仪，旨在解决现在市场广泛应用的光栅干涉仪光学细分倍数低的问题。本发明采用双光栅结构，一个标尺光栅，另一个为指示光栅，双光栅都为负一级高衍射效率光栅。利用测量光束以近似利特罗角入射标尺光栅，负一级光束出射至指示光栅，选取适合的指示光栅周期，使得负一级光束再次以近似利特罗角入射标尺光栅，再次发生高效率负一级衍射。测量光束在双光栅结构中来回衍射，最终以利特罗角入射指示光栅，光束沿原路返回。测量光束多次于移动的标尺光栅上进行负一级衍射，故光栅干涉仪光学细分得到提高。

本发明的技术解决方案：

一种基于双光栅结构的高光学细分双频光栅干涉仪，其特点在于，包括双频正交线偏振激光光源、非偏振分束器、偏振分束器、第一四分之一波片、第二四分之一波片、第一反射镜、第二反射镜、标尺光栅、指示光栅，以及由与双频正交偏振光成45°的第一检偏器和与之对应的第一光电探测器，与双频正交偏振光成45°的第二检偏器和与之对应第二光电探测器和数据采集与处理控制单元共同构成的解调相位单元；

由激光光源射出的双频正交偏振光经过非偏振分束器分为反射光和透射光两部分，其中，反射光作为参考量进入与双频正交偏振光成45°的第一检偏器，第一光电探测器探测到作为双频外差干涉术的参考光的干涉信号，并传输至数据采集与处理控制单元；

透射光作为测量信号经过偏振分束器分为两束，一束为偏振态与入射面平行的P光，另一束为偏振态与入射面垂直的S光，S光经过第一四分之一波片变成左旋圆偏光，经第一反射镜反射后进入标尺光栅，经标尺光栅的-1级衍射光进入指示光栅，经指示光栅的-1级衍射光再次入射标尺光栅，依次左旋圆偏光在标尺光栅与指示光栅之间来回衍射，最终以利特罗角入射指示光栅，并依照原路返回经第一反射镜再次进入第一四分之一波片变为P光；由所述偏振分束器出射的P光经过第二四分之一波片变成右旋圆偏光，经第二反射镜镜反射后进入标尺光栅，经标尺光栅的-1级衍射光进入指示光栅，经指示光栅的-1级衍射光再次入射标尺光栅，依次右旋圆偏光在标尺光栅与指示光栅之间来回衍射，最终以利特罗角入射指示光栅，右旋圆偏光依照原路返回经第二反射镜再次进入第二四分之一波片变为S光；所述的原路返回的P光透过偏振分束镜和所述的原路返回的S光经偏振分束镜反射重合在同一光路上，共同入射到所述的第二检偏器形成干涉信号，由所述的第二探测器接收后作为双频外差干涉术的测量信号传输至数据采集和处理及控制单元。

与现有技术相比，本发明的技术效果：

采用紧凑的不同周期双光栅自准直结构，使得测量光束在双光栅结构不断以近似利特罗角进行来回负一级衍射。由于多普勒效应，测量光束每次在测量光栅进行负一级衍射就会携带一个多普勒频移分量。最终测量光束以利特罗角入射光栅，并沿原路返回，此时频移分量加倍，两束测量光干涉与偏振分束器。

本发明为增强光栅干涉系统的环境抗性，采用对称结构，若单路测量光束在测量光栅进行N＝3次负一级衍射，则该结构进行了12次光学细分。

附图说明

图1是本发明基于双光栅结构的高光学细分双频光栅干涉仪的结构示意图

图2是单侧二倍光学细分双光栅示意图

图3是单侧四倍光学细分双光栅示意图

图4是单侧六倍光学细分双光栅示意图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1是本发明基于双光栅结构的高光学细分双频光栅干涉仪的结构示意图，如图所示，双频正交线偏振激光光源9发出正交双频偏振光束经非偏振分束器8分为两束，一束射入第一检偏器10形成干涉信号，由第一探测器12接收后作为双频外差干涉术的参考信号传输至数据采集和处理及控制单元14，另一束经偏振分束器7分为透射的P光和反射的S光。由偏振分束器7出来的所述的S光经第一四分之一波片5变为左旋圆偏光，经第一反射镜3入射到高密度标尺光栅1，经标尺光栅1衍射的-1级次衍射光打到指示光栅2，经指示光栅2进行-1级衍射再次入射到高密度标尺光栅1，依此左旋圆偏光在标尺光栅1和指示光栅2之间来回衍射，并最终以利特罗角入射到指示光栅2上，左旋圆偏光沿原光路返回经第一反射镜3，经第一四分之一波片5变为P光。由偏振分束器7出来的所述的P光经第二四分之一波片6变为右旋圆偏光，经第二反射镜4入射到高密度标尺光栅1，经标尺光栅1衍射的-1级次衍射光打到指示光栅2，经指示光栅2的-1衍射光再次入射到高密度标尺光栅1，依此右旋圆偏光在标尺光栅1和指示光栅2之间来回衍射，并最终以利特罗角入射指示光栅2，右旋圆偏光沿原光路返回经第二反射镜4，经第二四分之一波片变6为S光。原路返回的S光透过偏振分光镜和原路返回的P光经偏振分光镜7反射重合在同一光路上，共同经入射到第二检偏器11形成干涉信号，由第二探测器13接收后作为双频外差干涉术的测量信号传输至数据采集和处理及控制单元14。通过分析参考信号和测量信号即可获得标尺光栅1的位移。

由于两束测量光对称入射双光栅结构，故对单侧结构进行分析。

如图二所示，光束从偏振分光镜7出射后，经过四分之一波片6，入射第二反射镜(4)，反射进入双光栅结构。第二反射镜4与标尺光栅1的夹角为：

η为第二反射镜4与标尺光栅1的夹角，i_n为光线第一次入射标尺光栅的入射角。光线由第二反射镜4进入标尺光栅和指示光栅，进入标尺光栅的入射角分别为i_n,i_n-1,i_n-2…i₃,i₂,i₁,标尺光栅上的衍射角依次为θ_n,θ_n-1,θ_n-2…θ₃,θ₂,θ₁,光线由标尺光栅衍射后，进入指示光栅，入射角依次为i'_n,i'_n-1,i'_n-2…i'₃,i'₂,i₁'.指示光栅的衍射角为α_n,α_n-1,α_n-2…α₃,α₂,α₁。

在测量光栅上，入射角i_n和衍射角θ_n满足光栅方程:

d₁*(sin i_n+sinθ_n)＝mλ (1)

式中d₁为标尺光栅的周期,λ为激光波长,m为衍射级次，在此专利中m＝-1

在标尺光栅上，入射角i'_n和衍射角α_n同样满足光栅方程：

d₂*sin(i'_n+α_n)＝mλ (2)

式中d₂为测量光栅周期,λ为激光波长,m为衍射级次，在此专利中m＝-1

且满足如下的角度关系：

θ_n＝i'_n (3)

α_n＝i_n-1 (4)

i'₁＝α₁ (5)

当确定d₁、d₂以及测量光束衍射次数n时，可通过以上5个方程确定在标尺光栅和指示光栅上的光路，以及第二反射镜4的安装角度。

在实例中，如图二所示，n＝1,d₁＝1000nm、d₂＝1500nm、λ＝632.8nm，标尺光栅上的入射角为i₁＝24.9525°，衍射角为θ₁＝12.1771°，指示光栅上的入射角为i′₁＝12.1771°，衍射角为α₁＝12.1771°。反射镜与标尺光栅的夹角为79.9788°,假设光栅负一级衍射效率为95％，原路返回光强为入射光强的85.7375％，即入射标尺光栅结构的探测光功率为20mw,原路返回到达偏振分束器的光功率为19mw,可达到光电探测器阈值功率。

如图三所示，n＝2,d₁＝1000nm、d₂＝1300nm、λ＝632.8nm，标尺光栅上的入射角依次为i₁＝22.9181°，i₂＝32.3741°，衍射角依次为θ₁＝14.0864°，θ₂＝5.5868°，指示光栅上的入射角依次为i′₁＝14.0864°,i'₂＝5.5868°，衍射角依次为α₁＝14.0864°，α₂＝22.9181°。反射镜与标尺光栅的夹角为83.6871°，假设光栅负一级衍射效率为95％，原路返回光强为入射光强的69.8337％，即入射标尺光栅结构的探测光功率为20mw,原路返回到达偏振分束器的光功率为13.96674mw,可达到光电探测器阈值功率。

如图四所示，n＝3，d₁＝1000nm、d₂＝1100nm、λ＝632.8nm，标尺光栅上的入射角依次为i₁＝20.1918°,i₂＝23.7645°,i₃＝27.4012°,衍射角依次为θ₁＝16.7165°，θ₂＝13.3035°，θ₃＝9.9380°。指示光栅上的入射角依次为i′₁＝16.7165°,i'₂＝13.3035°,i'₃＝9.9380°，衍射角依次为，α₁＝16.7165°，α₂＝20.1918°，α₃＝23.7465°。反射镜与标尺光栅的夹角为81.2006°。假设光栅负一级衍射效率为95％，原路返回光强为入射光强的56.88％，即入射标尺光栅结构的探测光功率为20mw,原路返回到达偏振分束器的光功率为11.376mw可达到光电探测器阈值功率。三种衍射情况如表1所示。

表1

Claims (1)

1.一种基于双光栅结构的高光学细分双频光栅干涉仪，其特征在于，包括双频正交线偏振激光光源(9)、非偏振分束器(8)、偏振分束器(7)、第一四分之一波片(5)、第二四分之一波片(6)、第一反射镜(3)、第二反射镜(4)、标尺光栅(1)、指示光栅(2)，以及由与双频正交偏振光成45°的第一检偏器(10)和与之对应的第一光电探测器(12)，与双频正交偏振光成45°的第二检偏器(11)和与之对应第二光电探测器(13)和数据采集与处理控制单元(14)共同构成的解调相位单元(15)；

由激光光源(9)射出的双频正交偏振光经过非偏振分束器(8)分为反射光和透射光两部分，其中，反射光作为参考量进入与双频正交偏振光成45°的第一检偏器(10)，第一光电探测器(12)探测到作为双频外差干涉术的参考光的干涉信号，并传输至数据采集与处理控制单元(14)；

透射光作为测量信号经过偏振分束器(7)分为两束，一束为偏振态与入射面平行的P光，另一束为偏振态与入射面垂直的S光，S光经过第一四分之一波片(5)变成左旋圆偏光，经第一反射镜(3)反射后进入标尺光栅(1)，经标尺光栅(1)的-1级衍射光进入指示光栅(2)，经指示光栅(2)的-1级衍射光再次入射标尺光栅(1)，依次左旋圆偏光在标尺光栅(1)与指示光栅(2)之间来回衍射，最终以利特罗角入射指示光栅(2)，并依照原路返回经第一反射镜(3)再次进入第一四分之一波片(5)变为P光；由所述偏振分束器(7)出射的P光经过第二四分之一波片(6)变成右旋圆偏光，经第二反射镜镜(4)反射后进入标尺光栅(1)，经标尺光栅(1)的-1级衍射光进入指示光栅(2)，经指示光栅(2)的-1级衍射光再次入射标尺光栅(1)，依次右旋圆偏光在标尺光栅(1)与指示光栅(2)之间来回衍射，最终以利特罗角入射指示光栅(2)，右旋圆偏光依照原路返回经第二反射镜(4)再次进入第二四分之一波片(6)变为S光；所述的原路返回的P光透过偏振分束镜(7)和所述的原路返回的S光经偏振分束镜(7)反射重合在同一光路上，共同入射到所述的第二检偏器(11)形成干涉信号，由所述的第二探测器(13)接收后作为双频外差干涉术的测量信号传输至数据采集和处理及控制单元(14)。