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CN111442715B - 基于一体式二次分光组件的外差激光干涉仪 - Google Patents

基于一体式二次分光组件的外差激光干涉仪 Download PDF

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Abstract

基于一体式二次分光组件的外差激光干涉仪属于激光应用技术领域；本发明将两束频率不同的空间分离光束输入至基于一体式二次分光组件的外差激光干涉仪，其中一体式二次分光组件包含两个彼此空间垂直的分光面，这两个分光面镀有偏振分光膜或非偏振分光膜，并且测量光束和参考光束在一体式二次分光组件中的行进路径长度相等。本发明所述的外差激光干涉仪显著降低了周期非线性误差，相对于其他现有空间分离式外差激光干涉仪同时兼具结构简单、热稳定性好、容差角大和易于集成装配的优点，满足了高端装备对外差激光干涉测量高精度和高分辨率的要求。

Description

基于一体式二次分光组件的外差激光干涉仪
技术领域
本发明属于激光应用技术领域，主要涉及一种基于一体式二次分光组件的外差激光干涉仪。
背景技术
外差激光干涉仪因其具有抗干扰能力强、信噪比高和精度高等优点而被广泛应用于超精密数控机床、光刻机以及三坐标测量机等高端装备。随着高端装备工程的不断发展，现有装备对外差激光干涉测量的测量精度和分辨率都提出了越来越高的要求。
在外差激光干涉测量中，纳米级周期非线性误差严重限制了测量精度和分辨率的进一步提高。国内外研究表明周期非线性误差源于干涉光路中的光学混叠，而传统的外差激光干涉仪无法避免光学混叠，因此各国学者转变研究思路并提出了基于空间分离光路的外差激光干涉技术，即通过空间分离的光束传递来减弱或消除光学混叠以减小甚至消除周期非线性误差。
基于空间分离光路的设计理念，国内外学者相继研发了不同类型的外差激光干涉仪，其周期非线性误差均显著降低，但是都存在一定的局限性。
国外学者John Lawall等研制的外差激光干涉仪(Michelson Interferometrywith 10pm Accuracy.Rev.Sci.Instrum.,2000,71(7):2669-2676)器件复杂，组成繁琐，且测量光束仅被目标平面反射镜反射一次会使干涉信号对比度易被目标平面反射镜的角度摆动所影响，即容差角较小，而且其测量光束和参考光束的光程不平衡导致该外差激光干涉仪热稳定性较差，因此无法广泛使用。
中国 台湾学者Wu Chien-ming等设计的外差激光干涉仪(HeterodyneInterferometer with Subatomic Periodic Nonlinearity.Appl.Opt.,1999,38(19):4089-4094)组成极为复杂，集成装配难度大，而且测量光束也仅被目标平面反射镜反射一次使得干涉信号对比度易被目标平面反射镜的角度摆动所影响，即容差角较小，同时也存在因光程不平衡引起的热稳定性较差的问题。
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)虽具有良好的热稳定性，但其结构复杂、元件定制和集成装配难度大，并且测量光束也仅被目标平面反射镜反射一次会使干涉信号对比度易被目标平面反射镜的角度摆动所影响，即容差角较小，也不易推广使用。
另一国外学者Steven R.Gillmer等研制的外差激光干涉仪(Development of aNovel Fiber- Coupled Three Degree-of-Freedom DisplacementInterferometer.University of Rochester Master Thesis,2013)虽然结构简单对称且具有较好的热稳定性，但是测量光束也仅被目标平面反射镜反射一次同样使干涉信号对比度易被目标平面反射镜的角度摆动所影响，即容差角较小，因此也不易推广使用。
此外，韩国学者Ki-Nam Joo等在专利WO2010030179A1中研制了一种新型空间分离式外差激光干涉仪，但是该外差激光干涉仪仅在采用被测目标反射镜为角锥棱镜时才具有热稳定性好、容差角大的特点；之后Jonathan D.Ellis等将目标角锥棱镜改为目标平面反射镜(Fiber- coupled displacement interferometry without periodicnonlinearity.Optics Letters,2011, 36(18):3584-3586.)，但其结构复杂且测量光和参考光光程不平衡，导致热稳定性较差，也不易推广使用。哈工大胡鹏程等人针对此问题提出一种改进(Highly stable heterodyne interferometer without periodicnonlinearity.Technisches Messen:Sensoren,Gerate,Systeme, 2014.)，使测量光输和参考光束在多个分光棱镜中总光程平衡，提高了热稳定性，但是改进后的外差激光干涉仪其结构更加复杂，集成装配难度更大，也不易推广。
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热稳定性好和容差角大的要求，严重限制了外差激光干涉仪测量能力的提高。
发明内容
本发明的目的就是针对现有空间分离式外差激光干涉仪的不足，提出了一种基于一体式二次分光组件的外差激光干涉仪，以达到综合提高外差激光干涉的测量精度和测量分辨率的目的。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
(1)所述第一输入光束入射至一体式二次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二次分光组件后被分成第二测量光束和第二参考光束；第一测量光束和第二测量光束中至少有一束光束被目标平面反射镜至少反射一次；第一和第二测量光束以及第一和第二参考光束均被一体式二次分光组件的第一分光面和第二分光面多次透射或反射；并且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，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。
(2)所述的一体式二次分光组件，包括第一等腰直角棱镜、第二等腰直角棱镜以及第三等腰直角棱镜。其中第一等腰直角棱镜和第二等腰直角棱镜尺寸相同且通过彼此直角边面的粘接形成一个与第三等腰直角棱镜尺寸相同的组合式等腰直角棱镜；第三等腰直角棱镜通过其斜边面与组合式等腰直角棱镜的斜边面粘接形成长方体状的一体式二次分光组件；并且第一等腰直角棱镜和第二等腰直角棱镜的粘接面作为第一分光面，第一和第二等腰直角棱镜形成的组合式等腰直角棱镜与第三等腰直角棱镜的粘接面作为第二分光面。
(3)所述第一分光面和第二分光面镀有偏振分光膜或非偏振分光膜，且在空间上彼此垂直。
(4)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二次分光组件中的行进路径长度相等。
本发明的基于一体式二次分光组件的外差激光干涉仪，包括：两个空间不重合且频率不同的第一输入光束和第二输入光束、一体式二次分光组件、固定反射镜以及可移动的目标平面反射镜。
本发明具有以下特点及优势：
(1)本发明中，外差激光干涉仪的测量光束和参考光束在最终干涉之前在空间上是分离的，从而显著降低了周期非线性误差；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二次分光组件中的行进路径长度相等，使得外差激光干涉仪的结构热稳定性很好；此外，外差激光干涉仪测量光束被目标平面反射镜反射两次，使得干涉信号的空间矢配性增强，容差角大，提高了工程实用能力；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特点。
(2)本发明中，外差激光干涉仪结构简单，易于集成装配，在其安装和使用过程中稳定性好，并且可用光纤导入光源和导出干涉光束，这些都是相较于其他空间分离式外差激光干涉仪的明显优势。
附图说明
图1是本发明外差激光干涉仪单轴结构三维示意图
图2是本发明外差激光干涉仪单轴结构光路示意图
图3是图2的左视图
图中件号说明：
RAP1：第一等腰直角棱镜
RAP2：第二等腰直角棱镜
RAP3：第三等腰直角棱镜
PBS1：第一分光面
PBS2：第二分光面
WP1：第一波片
WP2：第二波片
M1：目标平面反射镜
M2：参考平面反射镜
FR1：第一组固定反射镜
FR2：第二组固定反射镜
f1：频率为f1的第一输入光束
f2：频率为f2的第二输入光束
Im：第一干涉信号
Ir：第二干涉信号
PDm：第一光电探测器
PDr：第二光电探测器
具体实施方式
以下结合附图对本发明优选的单轴干涉仪实例进行详细描述。
如图1所示的基于一体式二次分光组件的单轴外差激光干涉仪，包括：两个空间不重合且频率不同的第一输入光束和第二输入光束、第一至第三直角棱镜RAP1～RAP3、第一组和第二组固定反射镜FR1和FR2、第一和第二波片WP1和WP2、可移动的目标平面反射镜M1、参考平面反射镜M2以及第一和第二光电探测器PDm和PDr。其中第一等腰直角棱镜和第二等腰直角棱镜尺寸相同且通过彼此直角边面的粘接形成一个与第三等腰直角棱镜尺寸相同的组合式等腰直角棱镜；第三等腰直角棱镜通过其斜边面与组合式等腰直角棱镜的斜边面粘接形成长方体状的一体式二次分光组件；第一等腰直角棱镜和第二等腰直角棱镜的粘接面作为第一分光面，第一和第二等腰直角棱镜形成的组合式等腰直角棱镜与第三等腰直角棱镜的粘接面作为第二分光面，第一分光面和第二分光面均镀有偏振分光膜且空间上彼此垂直；此外，第一组和第二组固定反射镜FR1和FR2均包括至少一个角锥棱镜或直角棱镜，且固定反射镜与一体式二次分光组件的相对定位应尽可能使测量光束和参考光束在输出行进路径产生重合。
如图2和图3所示，该外差激光干涉仪工作原理如下：所述第一输入光束入射至第一分光面PBS1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；所述第二输入光束入射至第一分光面PBS1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。其中第一和第二测量光束均继续透射经过PBS2并在WP1的偏振态变换作用和FR1的反射作用下接触两次目标平面反射镜M1，随后携带双倍多普勒频移在PBS1透射输出；同时，第一和第二参考光束均在WP2的偏振态变换作用以及M2和FR2的反射作用下在PBS1反射输出，且光束频率不变；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；最终，所述第一光电探测器PDm接收第一干涉信号Im，第二光电探测器PDr接收第二干涉信号Ir，第一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。

Claims (3)

1.一种基于一体式二次分光组件的外差激光干涉仪，包括：两个空间不重合且频率不同的第一输入光束和第二输入光束、一体式二次分光组件、固定反射镜以及可移动的目标平面反射镜；
其特征在于：所述第一输入光束入射至一体式二次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二次分光组件后被分成第二测量光束和第二参考光束；第一测量光束和第二测量光束中至少有一束光束被目标平面反射镜至少反射一次；第一和第二测量光束以及第一和第二参考光束均被一体式二次分光组件的第一分光面和第二分光面多次透射或反射；并且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，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；
所述的一体式二次分光组件包括：第一等腰直角棱镜、第二等腰直角棱镜以及第三等腰直角棱镜；
第一等腰直角棱镜和第二等腰直角棱镜尺寸相同且通过彼此直角边面的粘接形成一个与第三等腰直角棱镜尺寸相同的组合式等腰直角棱镜；第三等腰直角棱镜通过其斜边面与组合式等腰直角棱镜的斜边面粘接形成长方体状的一体式二次分光组件；并且第一等腰直角棱镜和第二等腰直角棱镜的粘接面作为第一分光面，第一和第二等腰直角棱镜形成的组合式等腰直角棱镜与第三等腰直角棱镜的粘接面作为第二分光面。
2.根据权利要求1所述的基于一体式二次分光组件的外差激光干涉仪，其特征在于，所述第一分光面和第二分光面镀有偏振分光膜或非偏振分光膜，且在空间上彼此垂直。
3.根据权利要求1所述的基于一体式二次分光组件的外差激光干涉仪，其特征在于，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二次分光组件中的行进路径长度相等。
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