[发明专利]减小外差干涉非线性误差一次谐波分量的方法与装置

说明书

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，特别是一种减小外差干涉非线性误差一次谐波分量的方法与装置。

背景技术

激光外差干涉仪由于具有测量速度快、测量精度高、抗干扰能力强、重复性好、溯源性强等优点，广泛应用于超精密检测和纳米测量。随着微电子、微机械及超精密加工的发展，对位移测量精度的要求达到了纳米量级，然而由于激光外差干涉仪非线性误差的存在，严重制约了其测量精度的进一步提高，现有的减小和补偿外差干涉非线性误差的方法要求电子系统或光路系统都很复杂，研究一种简单、有效的减小激光外差干涉非线性误差的方法至关重要。

附图1所示为外差干涉仪位移测量的光路系统(10)的示意图，光路系统(10)包括偏振分光镜(11)、固定的参考角锥棱镜(12)和移动的测量角锥棱镜(13)。光束(14)为由双频激光器出射的包含两束振动方向相互垂直、频率分别为f₁和f₂的线偏振光。光束(14)进入偏振分光镜(11)，其中垂直振动的频率为f₁的线偏振光在理想情况下全部反射到固定的参考角锥棱镜(12)，而平行振动的频率为f₂的线偏振光全部透射进入测量角锥棱镜(13)，频率为f₁和f₂的光束分别经参考角锥棱镜(12)和测量角锥棱镜(13)反射回偏振分光镜(11)汇合形成光束(16)，然而由于存在安装误差、光学元件的非理想等原因，光束(14)包含的两束频率不同的光不能够完全分离，存在泄漏光束(15)，当测量角锥棱镜(13)沿AB方向移动时，由于多普勒效应，偏振分光镜(11)的返回光束(16)的频率变为f₂+f₁±Δf_d，频率为f₁的光束产生的多普勒频移对应的相位，即为激光外差干涉仪的非线性误差。

外差干涉仪存在非线性误差首先由美国惠普公司的Quenelle提出，并发现干涉条纹每变化一个周期，非线性误差程周期变化，即存在一次谐波非线性误差；同时发现干涉条纹每变化两个周期存在更小的非线性误差，即二次谐波非线性误差。外差干涉仪存在非线性误差由Sutton进行了实验验证。由于光学系统不可避免的缺陷，导致激光外差干涉在测量过程中存在非线性误差，在优质的激光干涉仪中非线性误差为几个纳米，在一般激光干涉仪中，非线性误差达到十几个纳米是常见的。目前，测量并补偿外差干涉仪的非线性误差有很多方法，例如Hou和Wilkening提出的一种双相位检测方法，可消除一次谐波非线性误差；Badami和Patterson利用包含速率计和频谱仪的移动系统直接测量一次谐波和二次谐波非线性误差的大小并进行补偿；TaeBong Eom和TaeYoungChoi等用锁相放大器对参考信号和测量信号的相位信号进行积分并进行椭圆拟和的方法补偿非线性误差，上面的方法都能够在没有外部参考干涉仪的情况下补偿非线性误差，但是要求电子系统或光路系统都很复杂。

发明内容：

为了克服上述已有技术的不足之处，以满足激光外差干涉在纳米测量中的需求，本发明提出通过镀膜实体测量角锥棱镜安装在旋转台上，使旋转台以测量角锥棱镜运动方向为轴线轴向旋转测量角锥棱镜的方法，达到减小外差干涉非线性误差一次谐波分量的目的。本发明还提供了一种基于上述方法的减小外差干涉非线性误差一次谐波分量的装置。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

减小外差干涉非线性误差一次谐波分量的方法，该方法包含以下步骤：

(1)由双频激光器发出含有两种频率、两种偏振方向的光束；(2)该光束经分光镜后分成两束光，其中反射的光束经检偏器由光电探测器接收，形成参考信号；(3)透射的光束进入偏振分光镜，这束包含两种频率、两种偏振方向的光被偏振分光镜分成两束光，其中偏振方向垂直于纸面的光束被反射称为反射光束，偏振方向平行于纸面的光束被称透射称为透射光束，所述的反射光束经固定的参考角锥棱镜反射回偏振分光镜，所述的透射光束经安装在旋转台上的测量角锥棱镜也反射回偏振分光镜；以上两束经参考角锥棱镜和测量角锥棱镜反射的光束在偏振分光镜处汇合，经反射镜反射后，经检偏器由光电探测器接收，形成测量信号；所述的旋转台沿测量角锥棱镜运动方向轴向旋转测量角锥棱镜，所述的旋转台逆时针或顺时针轴向旋转97度。

所述减小外差干涉非线性误差一次谐波分量的装置，包括双频激光器、分光镜、偏振分光镜、固定的参考角锥棱镜、反射镜、检偏器、光电探测器，该装置还包括旋转台，以及安装在旋转台上的测量角锥棱镜。