專利名稱：共路激光干涉儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及精密測量領域，特別是一種共路激光干涉儀，應用于納米級和亞納米級位 移的測量。將激光多普勒技術與激光偏振干涉技術相結合，增強光路對外界環境的抗干擾 能力，提高激光干涉儀的測量分辨力和精度。
背景技術：
21世紀，納米科學技術將成為推動世界各國經濟發展的主要驅動力之一。納米測量 技術隨著納米科技的發展日益豐富而先進，為推動納米科學技術的發展與應用提供了可靠 的技術保障。反過來，納米科技研究的飛速發展，又對納米測量技術提出迫切的更高的要 求。只有研制和開發更加先進的納米測量技術和儀器，才能進一步促進納米科技的發展。 近年來，納米測量儀器在納米科學技術產業化中占有絕對地位，成為一個國家納米科技實 力的重要標志之一。國外研究者們在該領域的研究不斷取得進展和突破，不斷提高和改進 納米測量儀器的性能，使測量精度達到納米精度，測量分辨力開始邁向亞納米時代。
由于目前使用的長度溯源依然是光波長，光學的納米測量尤為重要，主要采用激光干 涉測量方法，并始終受到國內外關注和研究。基于激光干涉技術的納米測量儀器，以完善 的光學理論作支撐，集激光多普勒技術和激光偏振干涉技術的優點于一身，具有測量精度 高、非接觸測量、穩定性高、抗干擾能力強、不易氣壓濕度、空氣擾動的影響、體積小、 安裝容易、調試簡單等優點，可用于超高精度工作臺、半導體電子檢測、納米加工制造、 微/納機電系統、生物化學分子原子操縱、國防軍事的高精度測控等方面。研究和發展以 激光干涉技術為基礎的納米測量儀器，增強其抗干擾能力，提高測量精度和分辨力，為推 動納米科學技術的發展與應用提供了可靠的技術保障，具有重要理論意義和巨大的經濟價值。
發明內容
本發明的目的是提供一種共路激光干涉儀，將激光多普勒技術與激光偏振干涉技術相 結合，光路中兩束差動測量光所經路徑完全相同，實現光學四細分，使該干涉儀具有較強 的抗干擾能力，以提高激光干涉儀的測量精度和分辨力。
本發明提供的共路激光干涉儀包括激光器、偏振分光鏡、反射鏡、衍射光柵、偏振 片、凸透鏡和光電探測器；在激光器發出光束方向上放置偏振分光鏡，偏振分光鏡的分光 面與激光器發出光束方向成45°;在偏振分光鏡的分光面方向上的上側和下側分別放置反
射鏡和衍射光柵；在出射光的方向上依次放置偏振片、凸透鏡和光電探測器，這三個元件 的光軸方向與偏振分光鏡的分光面成45°，與激光器發出光束方向成90°。反射鏡的鏡面和衍射光柵的平面均與偏振分光鏡的分光面相垂直，并且，激光器和偏
振片、凸透鏡、光電探測器這三個元件分別位于偏振分光鏡的分光面的左側和右側。
本發明所述的共路激光干涉儀的應用，可用于位移測量。 本發明提供一種共路激光干涉儀的組裝方法包括步驟-
1) 組裝與光學元件的調節。根據光路圖選取光學元件組裝，并配置可調鏡架、支撐 桿和磁性底座，調節各元件的高度和角度使各元件中心基本在同一高度，達到同心共軸； 調節激光器光束處于水平方向。調節反射鏡反射光束的光斑中心與激光器光孔中心同高。 調節衍射光柵，使激光光束射在衍射光柵上發生衍射，轉動光柵使任一級衍射光打在激光 器光孔邊緣并且調節其高度與反射鏡的調節相同。調節偏振分光鏡的每個面，直到每個面 反射光光斑中心與激光器光孔中心等高。
2) 元件的放置。嚴格按照光路圖中各元件的位置要求，依照光束所經元件的次序， 仔細調整激光器、偏振分光鏡、衍射光柵和反射鏡的位置和角度，使兩束光第二次經過偏 振分光鏡后匯聚在一起，從約5米處距離觀察兩個光斑是否重合。如果基本重合，則可放 置偏振片和凸透鏡。
3) 偏振片的調節。調整偏振片的偏振化方向，p光和S光的二次衍射光在偏振片透光 軸上投影分量由于滿足干涉條件而發生干涉。緩慢旋轉偏振片，可改變兩光束透過的光強， 將干涉條紋的可見度調至最佳狀態。
4) 凸透鏡的調節。由于條紋極為密集，近距離內肉眼難以分辨，不適于放置光電探 測器。調整凸透鏡的位置，使光電探測器恰好接收一個條紋寬度信號。至此，光路調節完 畢，可用于位移測量。
本發明是提供的共路激光干涉儀將激光多普勒技術與激光偏振干涉技術相結合，激光 器發出的光束經過偏振分光鏡分為P光和S光，光路中兩束差動測量光所經路徑完全相同，
實現光學四細分，使該干涉儀具有較強的抗干擾能力，提高了激光干涉儀的測量精度和分 辨力。
圖1是本發明的共路激光干涉儀結構示意圖。 圖2是本發明的兩束差動測量光共路分析圖。 圖3是本發明的激光多普勒頻移分析圖。 圖4是本發明的實例測量流程框圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作詳細說明
如圖1所示，共路激光干涉儀包括激光器l、偏振分光鏡2、反射鏡3、衍射光柵4、 偏振片5、凸透鏡6和光電探測器7;在激光器1發出光束方向上放置偏振分光鏡2，偏振分光鏡2的分光面與激光器1發出光束方向成45°;在偏振分光鏡2的分光面方向上的
上側和下側分別放置反射鏡3和衍射光柵4;在出射光的方向上依次放置偏振片5、凸透 鏡6和光電探測器7，這三個元件的光軸方向與偏振分光鏡2的分光面成45°，與激光器l 發出光束方向成90°。反射鏡的鏡面和衍射光柵的平面均與偏振分光鏡的分光面相垂直， 并且，激光器和偏振片、凸透鏡、光電探測器這三個元件分別位于偏振分光鏡的分光面的 左側和右側。具體描述如下
由激光器l、偏振分光鏡2、反射鏡3、衍射光柵4、偏振片5、凸透鏡6和光電探測 器7組成的共路激光干涉儀裝置。其工作原理是激光器1發出頻率為/、波長為A的激 光束，經過偏振分光鏡2后分成p光和s光，分別射向柵距為d的衍射光柵4。在光柵衍 射4上發生衍射，形成+ l級s光衍射光和+ l級p光衍射光。這兩束衍射光經過反射鏡3 反射，再次射向衍射光柵4，經過二次衍射后形成(+ 1， +1)級s光衍射光和(+ 1， +1) 級p光衍射光。這兩束二次衍射光再次經過偏振分光鏡2，分別通過和被反射。通過改變 偏振片5的偏振化方向，調整p光和s光的二次衍射光在其透光軸上分量。兩束光分量滿 足干涉條件，發生干涉。干涉條紋經凸透鏡6進行放大和位置調整后，由光電探測器7進 行接收。當衍射光柵4發生左右方向移動時，由于激光多普勒效應引起p光和s光的頻移， 干涉條紋隨之移動。光電探測器7接收到的光強發生周期性變化，將光信號轉換為電信號， 經過信號處理后測出衍射光柵4的位移量。每當衍射光柵4移動一個柵距距離時，干涉條 紋移動四個周期，該光路實現了光學四細分。
該共路激光干涉儀的特征在于激光器1發出的光束經過偏振分光鏡分為P光和s光， 作為兩束差動測量光。兩束測量光所經路徑完全相同，符合共路原則，使光路具有較強的 抗干擾能力。兩束差動測量光共路分析圖如圖2所示。圖(a)表示p光路徑，圖(b)表示s 光路徑。這樣外界干擾因素及基座變形對測量光束和參考光束的影響接近相同，從而減小 或消除外界干擾帶來的附加誤差。
該共路激光干涉儀的特征在于激光器1的激光波長和衍射光柵4的刻線密度決定p光 和s光在衍射光柵4上的衍射角，決定反射鏡3的位置。因此，光路可以根據需要靈活選 擇其它波長的激光器和更高密度刻線密度的光柵。
以該干涉儀中的s光第一次衍射光路為例，對激光多普勒技術在本系統中的應用進行 分析，激光多普勒頻移分析圖如圖3所示。衍射光柵4在左右方向的移動，使兩束測量光頻 率發生變化，即多普勒頻移。根據圖3中各矢量的方向，U和K分別代表出射方向和入射方 向的單位矢量，V表示光柵移動速度矢量，則多普勒頻移為
(1)
發生一次衍射后+l級s衍射光的頻率為
/ - f y(sino; + sin45。) (2) 經過二次衍射后，(+l,+l)級S衍射光的頻率為/ - / 2K(sina + sin450) (3) 力 + I
同理，(+l,+ l)級p衍射光的頻率為
由光柵衍射方程c/(siim + sin45。):^得，二次衍射后，兩束光的多普勒頻移差為
",,化(sinor + sin450) W A^/廣/一--= 7
光電探測器檢測的光強取決于該點兩束光的相位差
"2ttJ"攀-2;tJ^^^Ax (6)
當光柵移動l個光柵柵距時，相位變化8;r，條紋移動4個周期，相當于對位移進行4細 分，使分辨力提高為原來的4倍。若條紋計數值為#，則位移計算公式為
"Z (7) 4
激光器1發出頻率為/、波長為義的激光束，經過偏振分光鏡2后分成p光和s光， 分別射向柵距為^的衍射光柵4。在光柵衍射4上發生衍射，形成+l級s光衍射光和+ l 級p光衍射光。這兩束衍射光經過反射鏡3反射，再次射向衍射光柵4，經過二次衍射后 形成(+ 1, +1)級s光衍射光和(+ 1, +1)級p光衍射光。這兩束二次衍射光再次經過 偏振分光鏡2，分別通過和被反射。通過改變偏振片5的偏振化方向，調整p光和s光的 二次衍射光在其透光軸上分量。兩束光分量滿足干涉條件，發生干涉。干涉條紋經凸透鏡 6進行放大和位置調整后，由光電探測器7進行接收。當衍射光柵4發生左右方向移動時， 由于激光多普勒效應引起p光和s光的頻移，干涉條紋隨之移動。光電探測器7接收到的 光強發生周期性變化，將光信號轉換為電信號，經過信號處理后測出衍射光柵4的位移量。 每當衍射光柵4移動一個柵距距離時，干涉條紋移動四個周期，該光路實現了光學四細分。
如圖4所示，共路激光干涉儀的信號處理電路主要包括共路激光干涉儀、放大電路、 濾波電路、DSP電路和液晶顯示模塊。DSP電路是信號處理的核心部分，完成AD轉換和 數字信號處理功能，并通過液晶顯示模塊顯示位移測量結果。共路激光干涉儀的明暗條紋 信號由光電探測器接收，將光信號轉換為電流信號，電流大小代表光強的變化。電流信號 需要進行電流電壓轉換，之后，利用放大電路對轉換后電壓信號進行放大。信號含有很多 噪聲，加入濾波電路改善信號質量。對信號進行二階低通濾波處理后，將四路信號送入 DSP電路的模數轉換模塊的四個輸入通道。ADC模塊對四路信號進行采樣和模數轉換， 然后經過數學算法的處理，計算出長度測量結果，并用液晶顯示模塊進行顯示。
本發明提供一種共路激光干涉儀的組裝方法包括步驟
1) 選配元件組裝并且配置合適的可調鏡架、支撐桿和磁性底座。
2) 粗調環節。先目測各元件的高度和角度進行粗調，使各元件中心基本在同一高度。
3) 細調環節。根據光學的"同心共軸"原則，對每個元件進行細致調節。激光器1的調節。以帶刻線的毛玻璃片作為基準，通過調節激光器支架的俯仰角度， 使光束打在毛玻璃片的刻線上。不斷改變毛玻璃片與激光器1的距離，使光束始終打在毛 玻璃片的刻線上。此時，激光器光束處于水平方向。
反射鏡3的調節。激光光束射向反射鏡發生反射，反射光返回激光器光孔的邊緣上。 觀察反射光束的光斑中心是否與激光器光孔中心同高。當改變反射鏡3與激光器1的距離
時，出現同樣現象，則表示反射鏡的調節完成。
衍射光柵4的調節。激光光束射在衍射光柵4上發生衍射，轉動光柵使任一級衍射光 打在激光器光孔邊緣。高度調節方法與反射鏡3的調節相同。
偏振分光鏡2的調節。偏振分光鏡2的四個面均在光路中用到，需將每個面反復調節， 方法與反射鏡3的調節相同，直到每個面反射光光斑中心與激光器光孔中心等高為止。
4) 元件的放置。嚴格按照光路圖中各元件的位置要求，依照光束所經元件的次序， 仔細調整激光器l、偏振分光鏡2、衍射光柵4和反射鏡3的位置和角度，使兩束光第二 次經過偏振分光鏡2后匯聚在一起。從約5米處距離觀察兩個光斑是否重合。如果基本重 合，則可放置偏振片5和凸透鏡6。
5) 偏振片5的調節。調整偏振片5的偏振化方向，p光和s光的二次衍射光在偏振片 5透光軸上投影分量由于滿足干涉條件而發生干涉。緩慢旋轉偏振片5，可改變兩光束透
過的光強，將干涉條紋的可見度調至最佳狀態。
6) 凸透鏡6的調節。由于條紋極為密集，近距離內肉眼難以分辨，不適于放置光電 探測器7。調整凸透鏡6的位置，使光電探測器7恰好接收一個條紋寬度信號。至此，光 路調節完畢，可用于位移測量。
應用實施例
測量實驗在光學實驗室進行，遠離外界振源減小振動干擾，室內溫度為20°C，光線 和壓強等條件穩定。整個系統搭建在由上海光炬光學儀器廠生產的GJ-I型光學減振平臺 上。實驗使用的衍射光柵是由中科院國家光柵制造與應用工程技術研究中心加工的Hll 型平面全息衍射光柵，刻線密度為1800條/mm。激光器是西安華科公司的DD532-5-5型 半導體激光器，波長為532nm，功率為5mV內可調，供電電壓為+5V，光束發散角為 0.5mrad，工作距離為50mm。由于位移測量過程與入射光的波長無關，激光波長的微小變 化不會影響測量的靈敏度和分辨力，無需特殊穩頻裝置。其他光學器件均選自北京大恒光 電公司。信號處理系統的DSP芯片選用TI公司的TMS320F2812作為系統的CPU。 DSP 主控系統電路是信號處理的核心部分，利用軟件程序完成AD轉換和數字信號處理功能， 顯示位移測量結果。液晶顯示模塊選用成都飛宇達公司的FYD12864-0402B。信號細分分 為三個階段。第一階段，光衍射細分。在干涉儀原理中已經介紹。第二階段，八細分。在 光電檢測電路中， 一個條紋寬度內均勻放置4個探測器分別接收四路信號。經過信號調理 電路和AD轉換后，在F2812DSP中，利用八細分算法對輸入信號進行處理，將信號進行 辨向、整數計數和八細分。第三階段，查表細分。在八細分之后，構建新函數對正余弦信號進行二次細分，從而實現更高的精度和分辨力。
經過大量反復實驗，確定出系統的最大運行速度為0.56mm/s，量程為O.Olmm。根據
大量實驗分析確定最大有效細分倍數為本系統的細分倍數，即^^ 24。因此，位移有 效分辨力為
該測量系統的各項誤差引起的標準不確定度主要為如下幾個方面
1、 激光光強變化引起的標準不確定度分量為-
Ml =0.441 nm
2、 模數轉換模塊電壓變化引起的標準不確定度為 m2 = 1.541腦
3、 査表細分誤差引起的標準不確定度為 m3-0.194nm
4、 光柵刻線密度誤差引起的標準不確定度為
"4 =o.290nm
因此，在最大量程內位移測量結果的合成標準不確定度為
<formula>formula see original document page 8</formula>
通過對激光器光強測試實驗、條紋穩定性測試實驗、電壓重復性實驗、計數準確性實 驗及系統性能測試實驗等大量實驗的測量數據進行研究和分析，實驗結果表明，共路激光 干涉儀由于獨特的共路結構，具有良好的抗干擾能力，不易受到溫度波動，氣壓變化和外 界振動等影響，同時，該干涉儀光路可實現光學四細分。根據該共路激光干涉儀原理，光 路可以根據實際需要選擇其它波長的激光器和更高密度刻線密度的光柵。可通過選用合適 器件參數，改變該干涉儀的一個周期條紋信號所代表的位移大小，以提高測量分辨力。利 用此共路激光干涉儀搭建的位移測量系統，能夠實現亞納米級位移測量，提高測量分辨力 和精度。如果對實驗條件和信號處理電路性能進行改進，可繼續提高有效細分倍數，從而 進一步提高位移測量精度。總之，該共路激光干涉儀是有效可行的。
權利要求
1、一種共路激光干涉儀，包括激光器、偏振分光鏡、反射鏡、衍射光柵、偏振片、凸透鏡和光電探測器，其特征在于在激光器發出光束方向上放置偏振分光鏡，偏振分光鏡的分光面與激光器發出光束方向成45°；在偏振分光鏡的分光面方向上的上側和下側分別放置反射鏡和衍射光柵；在出射光的方向上依次放置偏振片、凸透鏡和光電探測器，這三個元件的光軸方向與偏振分光鏡的分光面成45°，與激光器發出光束方向成90°。
2、 按照權利要求1所述的共路激光干涉儀，其特征在于所述的反射鏡的鏡面和衍射 光柵的平面均與偏振分光鏡的分光面相互垂直。
3、 按照權利要求1所述的共路激光干涉儀，其特征在于所述的激光器和偏振片、凸 透鏡、光電探測器這三個元件分別位于偏振分光鏡的分光面的左側和右側。
4、 權利要求l所述的共路激光干涉儀的應用，其特征在于可用于位移測量。
全文摘要
本發明涉及一種共路激光干涉儀，它包括激光器、偏振分光鏡、反射鏡、衍射光柵、偏振片、凸透鏡和光電探測器，在激光器發出光束方向上放置偏振分光鏡，偏振分光鏡的分光面與激光器發出光束方向成45°；在偏振分光鏡的分光面方向上的上側和下側分別放置反射鏡和衍射光柵；在出射光的方向上依次放置偏振片、凸透鏡和光電探測器，這三個元件的光軸方向與偏振分光鏡的分光面成45°，與激光器發出光束方向成90°。本發明應用于納米級和亞納米級位移的測量。將激光多普勒技術與激光偏振干涉技術相結合，增強光路對外界環境的抗干擾能力，提高了激光干涉儀的測量分辨力和精度。
文檔編號G01B9/02GK101629804SQ20091006974
公開日2010年1月20日 申請日期2009年7月16日 優先權日2009年7月16日
發明者曲興華, 王麗華 申請人:天津大學