[发明专利]一种多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种精密测试技术及仪器领域，特别涉及一种多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪。

背景技术

激光器的出现，使古老的干涉技术得到迅速发展，激光具有亮度高、方向性好、单色性及相干性好等特点，激光干涉测量技术已经比较成熟。激光干涉测量系统应用非常广泛：精密长度、角度的测量如线纹尺、光栅、量块、精密丝杠的检测；精密仪器中的定位检测系统如精密机械的控制、校正；大规模集成电路专用设备和检测仪器中的定位检测系统；微小尺寸的测量等。在大多数激光干涉测长系统中，都采用了迈克尔逊干涉仪或类似的光路结构。

单频激光干涉仪从激光器发出的光束，经扩束准直后由分光镜分为两路，并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来会合在分光镜上而产生干涉条纹。当可动反射镜移动时，干涉条纹的光强变化由接受器中的光电转换元件和电子线路等转换为电脉冲信号，经整形、放大后输入可逆计数器计算出总脉冲数，再由电子计算机按计算式L＝N×λ/2，式中λ为激光波长(N为电脉冲总数)，算出可动反射镜的位移量L。使用单频激光干涉仪时，要求周围大气处于稳定状态，各种空气湍流都会引起直流电平变化而影响测量结果。

单频激光干涉仪的弱点之一就是受环境影响严重，在测试环境恶劣，测量距离较长时，这一缺点十分突出。其原因在于它是一种直流测量系统，必然具有直流光平和电平零漂的弊端。激光干涉仪可动反光镜移动时，光电接收器会输出信号，如果信号超过了计数器的触发电平则就会被记录下来，而如果激光束强度发生变化，就有可能使光电信号低于计数器的触发电平而使计数器停止计数，使激光器强度或干涉信号强度变化的主要原因是空气湍流，机床油雾，切削屑对光束的影响，结果光束发生偏移或波面扭曲。

单频激光干涉仪由于测量结构的问题，其测量精度受限于激光的波长，其精度一般只能为其波长的整数倍，很难再进行提升，同时测量环境的变化对测量结果有较大影响。随着工业生产对精密测量的要求越来越高，对测量仪器的测量精度提出了更高的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有激光干涉仪测量精度受限于激光波长，测量精度难以提升的不足，提供一种多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪，该激光干涉仪在现有迈克尔逊激光干涉仪的基础上，采用多光源多阶梯平面反射镜，对于n阶梯平面反射镜可以检测λ/2n的精度，提高了激光干涉仪的测量精度。同时由于多光路干涉状态交替变换，对测量光路的环境变化有更高的抗干扰能力。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

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，其特征在于，所述激光源包括n个平行激光束，其中n≥2，所述光电探测器组包括n个光电探测器件，所述固定反射镜的反射面为n个成阶梯型的反射平面，相邻两个反射平面的间距等于λ/2n+kλ/2，其中k为任意自然数、λ为激光源发出的激光波长；每个所述激光源发出的每束激光经过所述分光镜反射后，分别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反射到所述光电探测器组的对应各个光电探测器件；所述激光源发出的每束激光束经过所述分光镜透射后，分别垂直入射到所述移动反射镜后反射到光电探测器组的对应的各个光电探测器件。

该激光干涉仪的激光源产生的平行激光束数量、阶梯型反射平面数量和光电探测器件的数量均为n(n≥2)，且为一一对应，即激光源发射的每束激光均分为两路，一路激光通过分光镜反射到固定反射镜的阶梯面的其中一个平面后，垂直反射到光电探测器组上的其中一个光电探测器件，另一路激光直接在分光镜内透射后入射到移动反射镜后再垂直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发生位移过程中是否产生最强干涉状态或最弱干涉状态。由于固定反射镜上为阶梯型反射面，所以激光源发射的各束激光通过固定反射镜的阶梯面反射后的光路的光程是不相同的，同时激光源发射的每束激光分成两路后到达对应的光电探测器件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，还和阶梯反射平面的平面高度差值有关系，由于该阶梯面(即阶梯型反射平面)的相邻两个平面高度差值等于λ/2n+kλ/2，即相邻阶梯面的高度差值可以相同也可以不同，由于每束激光在每个反射平面反射后，光程有所差异，不管相邻两个反射平面的高度差值多少，其光程差均为λ/n+kλ。