[发明专利]基于一体式二次分光组件的外差激光干涉仪

说明书

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。

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。