專利名稱：單頻激光偏振干涉儀在線調(diào)試裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種單頻激光偏振干涉儀的安裝與調(diào)試裝置，具體涉及到減小光 路固有非線性誤差的激光干涉儀的一體化制作過程中的裝置和調(diào)試裝置。
背景技術(shù)：
納米測量作為納米科技的基礎(chǔ)，涉及到微電子、材料科學(xué)等領(lǐng)域。激光干涉測量技 術(shù)具有非接觸性測量、測量精度高、測量速度快等優(yōu)點，在納米測量領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。納米 測量技術(shù)的發(fā)展，要求激光干涉儀系統(tǒng)對環(huán)境具有較強的適應(yīng)能力，具有高穩(wěn)定性和低漂 移。偏振干涉儀具有共光路、倍光程的特點，使環(huán)境影響大大降低，同時提高了系統(tǒng)測量分 辨力，但偏振激光干涉儀也存在偏振光學(xué)元件多，光路復(fù)雜；安裝相對位置要求精度高，易 受振動影響；偏振器件的性能與位置參數(shù)對溫度具有依賴性，使干涉儀易受溫度影響等不 足，使其實用化過程中面臨諸多困難。依靠光學(xué)機械固定方式搭建的分立式干涉儀結(jié)構(gòu)，各 光學(xué)元件的固定多依賴于機械裝置保持相對位置不動，位置調(diào)節(jié)方法復(fù)雜，易受環(huán)境干擾。 如果能夠?qū)崿F(xiàn)干涉儀中的各個光學(xué)元件相對永久固定，并去除元件機械固定與保持裝置， 使各個光學(xué)元件在物理上結(jié)為一體，則干涉儀的穩(wěn)定性和可靠性將會大為提高，特別是抗 振性能和溫度穩(wěn)定性能，同時借助于小尺寸光學(xué)元件的選擇，可以進一步減小干涉儀的尺 度，實現(xiàn)偏振激光干涉儀的小型化。光學(xué)系統(tǒng)集成有效的減小了由于線性漂移引起的干涉 儀測量值的誤差，提高了干涉儀的測量精度和抗干擾的能力。在干涉儀小型化和集成化過程中，由于受到非線性誤差的困擾，極大地降低了干 涉儀的測量分辨率和精度。從理論上分析干涉儀的非線性誤差主要是由干涉儀所采用光學(xué) 元件的位置及其性能非理想性導(dǎo)致的。用于補償干涉儀非線性誤差的方法有很多，主要可 分為主動補償禾口被動補償方法兩禾中。由Heydemann (A laser measurement system for the high precision calibration of displacement transducers. Measurement Science and Technology, 1996，7 (6) :911_917.)提出的主動補償方法，雖可以很好的減小非線性誤差， 但不能實時處理大量數(shù)據(jù)。2006年安捷倫科技有限公司的戴維· C ·楚等人公開了一種用于干涉儀非線性 補償?shù)南到y(tǒng)和方法(CN1873368)，從測量信號中生成的干涉儀位置數(shù)據(jù)進行非線性補償 的方法，包括基于接收到的數(shù)字位置值來生成第一組非線性參數(shù)；2010年中國計量科學(xué) 研究院高思田等人公開了一種激光干涉儀非線性誤差修正方法、裝置及應(yīng)用其的干涉儀 (CN101839686A)，利用諧波分離修正法對所述干涉儀非線性誤差進行修正，使單頻激光干 涉儀的非線性誤差修正達到最優(yōu)化。上述方法均屬于干涉儀輸出信號的數(shù)據(jù)再處理方法， 沒有從根本上降低干涉儀光路固有的非線性誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠減小單頻激光偏振干涉儀光路的固有非線性誤 差，提高干涉儀的測量精度的單頻激光偏振干涉儀在線調(diào)試裝置。本發(fā)明的目的還在于提供一種單頻激光偏振干涉儀在線調(diào)試方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明的單頻激光偏振干涉儀在線調(diào)試裝置由置于氣浮隔振平臺9上的穩(wěn)頻激 光器1、光隔離器2、偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)3，待測單頻激光偏振干涉儀4、光學(xué)透射反射機構(gòu)51、 52、光功率計61、62、多路正交干涉信號探測器71 74、干涉信號采集與分析系統(tǒng)8、氣浮隔 振光學(xué)平臺9組成；由穩(wěn)頻激光器1發(fā)出偏振光光隔離器2后變成一束高偏振穩(wěn)定度的信 號光，經(jīng)偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)3后，進入待測激光干涉儀4 ；信號光被干涉儀4分成兩束41、43， 兩束光41、43分別經(jīng)過垂直于光束傳輸方向的光學(xué)透射反射機構(gòu)51、52后，透射光42、44 分別進入其后的光功率計61、62，反射光沿原路返回干涉儀4，從干涉儀4各端口 Port3 Port6輸出的干涉信號光45 47分別被多路正交干涉信號探測器71 74接收后，形成正 交干涉信號，被送入干涉信號采集與分析系統(tǒng)8對干涉信號的直、交流幅值和干涉相位進 行分析，給出干涉儀的測量性能與光路非線性誤差參數(shù)。(1)所述的穩(wěn)頻激光器1的波長根據(jù)待測干涉儀要求進行選擇，如采用波長為 632. 8nm的He-Ne激光，頻率穩(wěn)定度大于10-7，光強波動小于0. 5%，光斑直徑小于1mm，具 有高度調(diào)節(jié)和水平垂直角度偏擺調(diào)節(jié)功能；(2)所述的光隔離器2包含起偏棱鏡201、203和Faraday旋轉(zhuǎn)器202，它具有單向 傳輸特性，對輸入光源進行起偏，并防止光束返回光源，如圖2所示；(3)所述的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)3可以實現(xiàn)對入射光偏振態(tài)0 360°的旋轉(zhuǎn)；(4)所述的光學(xué)透射反射機構(gòu)51、52包含一個位置可調(diào)的透反射鏡501安放在一 個可以發(fā)生微小位移和振動信號的振動臺502上；透反射鏡可以將垂直于鏡面的入射光分 成兩束，一束透射，一束反射，透射光和反射光的功率比值b為1 % < b < 50% ；振動臺發(fā)生 位移的振幅為納米到微米范圍，振動頻率為DC 1kHz，如圖3所示；(5)所述的多路正交干涉信號探測器71 74由四個探測波長范圍與穩(wěn)頻激光相 匹配的光電探測器組成，可以對干涉信號的交直流幅值和干涉相位進行采集和測量，信噪 比大于80dB ；(6)所述的干涉信號采集與分析系統(tǒng)8將光功率計61、62和多路正交干涉信號探 測器71 74的采集信號，通過信號通道81送入到系統(tǒng)8，它可以實現(xiàn)對干涉信號直流幅 度、交流幅度、對比度、干涉相位、四路干涉信號的非正交相移參數(shù)的解算和分析。所述的待測單頻激光偏振干涉儀4由偏振分光棱鏡401、405、408、消偏分光棱鏡 406、1/4波片402、404、407和1/2波片404共8個偏振光學(xué)元件集成，位置要求如下(1)偏振分光棱鏡401的底面在χ、ζ平面內(nèi)；(2) 1/4波片402位于在y、ζ平面內(nèi)，初始固定在偏振分光棱鏡401的側(cè)面，快軸 的初始位置與y軸順時針旋轉(zhuǎn)呈45.0° ；(3) 1/4波片403位于在x、y平面內(nèi)，初始固定在偏振分光棱鏡401與入射光相對 的側(cè)面上，快軸的初始位置與y軸逆時針旋轉(zhuǎn)呈45. 0° ；(4) 1/2波片404位于y、ζ平面內(nèi)，初始固定在偏振分光棱鏡401與1/4波片402 相對的側(cè)面上，快軸的初始位置與y軸順時針旋轉(zhuǎn)呈22. 5° ；(5)消偏振分光棱鏡406底面在χ、ζ平面內(nèi)，初始固定在1/2波片(404)的側(cè)面 上，底面與偏振分光棱鏡401共面；
(6)偏振分光棱鏡405底面在x、z平面內(nèi)，初始固定在消偏振分光棱鏡406上，底 面與偏振分光棱鏡401共面；(7) 1/4波片407位于x、y平面內(nèi)，初始固定在消偏振分光棱鏡406，快軸的初始位 置與y軸順時針旋轉(zhuǎn)呈45.0° ；(8)偏振分光棱鏡408的底面在x、z平面內(nèi)，初始固定在1/4波片(407)上，底面 與偏振分光棱鏡401共面。本發(fā)明的單頻激光偏振干涉儀在線調(diào)試方法為待測單頻激光偏振干涉儀4安裝 與調(diào)試過程，波片402、403、404、407的快慢軸位置是調(diào)整的核心和重點(1) 1/4波片402主要實現(xiàn)對偏振分光棱鏡401的反射光束41偏振態(tài)的變換，旋轉(zhuǎn) 1/4波片402，微調(diào)快軸與y軸的夾角，并使偏振分光棱鏡401相對于402安裝側(cè)的輸出光 功率最大，同時使返回光源1的光功率最??；(2) 1/4波片403主要實現(xiàn)對偏振分光棱鏡401的透射光束42偏振態(tài)的變換，旋轉(zhuǎn) 1/4波片403，微調(diào)快軸與y軸的夾角，并使偏振分光棱鏡401相對于402安裝側(cè)的輸出光 功率最大，同時使返回光源1的光功率最?。?3) 1/2波片404主要實現(xiàn)對干涉儀4的輸出端口 Port3與Port4的兩輸出光束 45 46或者輸出端口 Port5與Port6的兩輸出光束47 48功率比的調(diào)節(jié)，旋轉(zhuǎn)1/2波片 404微調(diào)快軸與y軸的夾角，使Port3和Port4(或者Port5和Port6)的光強比為1:1;(4) 1/4波片407主要實現(xiàn)對干涉儀4的輸出端口 Port3與Port5 (或者Port4與 Porte)輸出光束45、47(或者46、48)干涉信號正交性的調(diào)節(jié)；在兩個光學(xué)透射反射機構(gòu)51 上加載振動信號，對多路正交干涉信號探測器71 74輸出的干涉信號進行分析，得到正交 信號的李薩如圖形，要求非線性相移小于1°。所述的偏振干涉儀4的一體化集成安裝，采用光膠粘合層409的工藝固定偏振分 光棱鏡401、405、408、消偏振分光棱鏡406、1/4波片402、403、407和1/2波片404的相對位置。本發(fā)明集高偏振度激光的發(fā)生、旋轉(zhuǎn)、測量，以及干涉儀輸出的正交干涉信號的特 性分析于一體。用于干涉儀一體化集成過程中光學(xué)元器件、激光干涉儀的性能測試與評價。 通過對偏振光學(xué)元件的在線性能測試和干涉儀輸出光強與干涉信號的幅值、相位畸變的評 價，完成集成一體化干涉儀的安裝與調(diào)試，大大減小單頻激光偏振干涉儀光路的固有非線 性誤差，提高干涉儀的測量精度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于(1)單頻激光偏振干涉儀在線調(diào)試裝置包含(1)由穩(wěn)頻激光器1、光隔離器2、偏 振態(tài)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)3組成的偏振光發(fā)生與調(diào)節(jié)裝置，由光學(xué)透射反射機構(gòu)51、52和光功率計61、 62組成的光強探測裝置，以及由多路正交干涉信號探測器71 74組成的光干涉信號探測 裝置，它集偏振光的發(fā)生、偏振光的檢測、以及干涉儀干涉特性測量于一體，構(gòu)成了一個完 備的光學(xué)元器件性能檢測和干涉儀性能評估系統(tǒng)，能夠滿足絕大對數(shù)單頻激光干涉儀，特 別是采用多路正交信號輸出的偏振干涉儀的性能檢測與評估要求；(2)在線調(diào)試裝置對激光干涉儀的測量與評估是在線的，具有實時性，干涉儀元器 件固定與安裝過程中，即可評價干涉儀的性能，同時按照干涉儀輸出的非線性誤差參數(shù)幅 值，修訂光學(xué)元件的位置調(diào)節(jié)量，大大減小了干涉儀固有非線性誤差的幅值，將其數(shù)值降低到nm以下，借助于軟件的非線性誤差修正，可以使其測量分辨率低于0. Inm ；(3)在線調(diào)試裝置充分考慮到了偏振激光干涉儀的光學(xué)特性，同時簡化了干涉儀 的元件安裝與調(diào)節(jié)過程，通過優(yōu)化的調(diào)節(jié)步驟，使各元器件的調(diào)節(jié)與固定相互獨立，不發(fā)生 串擾，極大地提高了干涉儀一體化集成的效率。(4)在線調(diào)試裝置以偏振光強替代光學(xué)元件偏振態(tài)的檢測與分析，以干涉儀的對 比度和非線性誤差最為干涉儀性能的評價指標，極大的簡化了評估與測量過程，通過線調(diào) 試裝置獲得的一體化集成干涉儀其溫度和振動穩(wěn)定性大大優(yōu)于傳統(tǒng)的分立干涉儀，可以滿 足納米測量對激光干涉儀的迫切需求。


圖1是單頻激光偏振干涉儀在線調(diào)試裝置；圖2是光隔離器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是光學(xué)透射反射機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是待調(diào)試的單頻激光偏振激光干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是單頻激光偏振激光干涉儀的安裝與調(diào)試流程示意圖；圖6是干涉儀輸出正交信號的李薩如圖形及非正交相位測量結(jié)果圖；圖7干涉儀位移測量及其非線性誤差標定結(jié)果。
具體實施例方式待調(diào)試單頻激光偏振干涉儀由偏振分光棱鏡401、405、408和1/4波片402、404、 407和1/2波片404共8個偏振光學(xué)元件組成，其光路結(jié)構(gòu)如圖4所示。其安裝要求如下
權(quán)利要求
一種單頻激光偏振干涉儀在線調(diào)試裝置，其特征是由置于氣浮隔振平臺(9)上的穩(wěn)頻激光器(1)、光隔離器(2)、偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(3)、待測單頻激光偏振干涉儀(4)、光學(xué)透射反射機構(gòu)(51、52)、光功率計(61、62)、多路正交干涉信號探測器(71～74)、干涉信號采集與分析系統(tǒng)(8)、氣浮隔振光學(xué)平臺(9)組成；由穩(wěn)頻激光器(1)發(fā)出偏振光經(jīng)光隔離器(2)后變成一束高偏振穩(wěn)定度的信號光，經(jīng)偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(3)后，進入待測激光干涉儀(4)；信號光被干涉儀(4)分成兩束(41、43)，兩束光(41、43)分別經(jīng)過垂直于光束傳輸方向的光學(xué)透射反射機構(gòu)(51、52)后，透射光(42、44)分別進入其后的光功率計(61、62)，反射光沿原路返回干涉儀(4)，從干涉儀(4)各端口(Port3～Port6)輸出的干涉信號光(45～47)分別被多路正交干涉信號探測器(71～74)接收后，形成正交干涉信號，被送入干涉信號采集與分析系統(tǒng)(8)對干涉信號的直、交流幅值和干涉相位進行分析，給出干涉儀的測量性能與光路非線性誤差參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單頻激光偏振干涉儀在線調(diào)試裝置，其特征是所述的穩(wěn)頻 激光器(1)的波長采用波長為632. 8nm的He-Ne激光，頻率穩(wěn)定度大于10-7，光強波動小于 0. 5%，光斑直徑小于1mm，具有高度調(diào)節(jié)和水平垂直角度偏擺調(diào)節(jié)功能。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單頻激光偏振干涉儀在線調(diào)試裝置，其特征是所述的光隔 離器(2)包含起偏棱鏡(201、203)和Faraday旋轉(zhuǎn)器(202)，具有單向傳輸特性，對輸入光 源進行起偏。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單頻激光偏振干涉儀在線調(diào)試裝置，其特征是所述的偏振 態(tài)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(3)實現(xiàn)對入射光偏振態(tài)0 360°的旋轉(zhuǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的單頻激光偏振干涉儀在線調(diào)試裝置，其特征是所述的光學(xué) 透射反射機構(gòu)(51、52)包含一個位置可調(diào)的透反射鏡(501)安放在一個可以發(fā)生微小位移 和振動信號的振動臺(502)上；透反射鏡將垂直于鏡面的入射光分成兩束，一束透射，一束 反射，透射光和反射光的功率比值b為b < 50%;振動臺發(fā)生位移的振幅為納米到微 米范圍，振動頻率為DC IkHz。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單頻激光偏振干涉儀在線調(diào)試裝置，其特征是所述的多路 正交干涉信號探測器(71 74)由四個探測波長范圍與穩(wěn)頻激光相匹配的光電探測器組 成，對干涉信號的交直流幅值和干涉相位進行采集和測量，信噪比大于80dB。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的單頻激光偏振干涉儀在線調(diào)試裝置，其特征是所述的干涉信 號采集與分析系統(tǒng)⑶是光功率計(61、62)和多路正交干涉信號探測器(71 74)的采 集信號，通過信號通道(81)送入到系統(tǒng)(8)，實現(xiàn)對干涉信號直流幅度、交流幅度、對比度、 干涉相位、四路干涉信號的非正交相移參數(shù)的解算和分析。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的單頻激光偏振干涉儀在線調(diào)試裝置，其特征是待測單頻激光 偏振干涉儀(4)由偏振分光棱鏡(401、405、408)、消偏分光棱鏡(406)、1/4波片(402、404、 407)和1/2波片(404)共8個偏振光學(xué)元件集成，安裝關(guān)系為(1)偏振分光棱鏡(401)的底面在χ、ζ平面內(nèi)；(2)1/4波片(402)位于在y、ζ平面內(nèi)，初始固定在偏振分光棱鏡(401)的側(cè)面，快軸 的初始位置與y軸順時針旋轉(zhuǎn)呈45.0° ；(3)1/4波片(403)位于在x、y平面內(nèi)，初始固定在偏振分光棱鏡(401)與入射光相對 的側(cè)面上，快軸的初始位置與y軸逆時針旋轉(zhuǎn)呈45. 0° ；(4)1/2波片(404)位于y、z平面內(nèi)，初始固定在偏振分光棱鏡(401)與1/4波片(402) 相對的側(cè)面上，快軸的初始位置與y軸順時針旋轉(zhuǎn)呈22. 5° ；(5)消偏振分光棱鏡(406)底面在x、z平面內(nèi)，初始固定在1/2波片(404)的側(cè)面上， 底面與偏振分光棱鏡(401)共面；(6)偏振分光棱鏡(405)底面在x、z平面內(nèi)，初始固定在消偏振分光棱鏡(406)上，底 面與偏振分光棱鏡(401)共面；(7)1/4波片(407)位于x、y平面內(nèi)，初始固定在消偏振分光棱鏡(406)，快軸的初始位 置與y軸順時針旋轉(zhuǎn)呈45.0° ；(8)偏振分光棱鏡(408)的底面在x、z平面內(nèi)，初始固定在1/4波片(407)上，底面與 偏振分光棱鏡(401)共面。
9. 一種單頻激光偏振干涉儀在線調(diào)試方法，其特征是主要在于波片(402、403、404、 407)的快慢軸位置的調(diào)整；(1)1/4波片(402)主要實現(xiàn)對偏振分光棱鏡(401)的反射光束(41)偏振態(tài)的變換，旋 轉(zhuǎn)1/4波片(402)，微調(diào)快軸與y軸的夾角，并使偏振分光棱鏡(401)相對于(402)安裝側(cè) 的輸出光功率最大，同時使返回光源(1)的光功率最小；(2)1/4波片(403)主要實現(xiàn)對偏振分光棱鏡(401)的透射光束(42)偏振態(tài)的變換，旋 轉(zhuǎn)1/4波片(403)，微調(diào)快軸與y軸的夾角，并使偏振分光棱鏡(401)相對于(402)安裝側(cè) 的輸出光功率最大，同時使返回光源(1)的光功率最??；(3)1/2波片(404)主要實現(xiàn)對干涉儀(4)的輸出端口 Port3與Port4的兩輸出光束 (45 46)或者輸出端口 Port5與Port6的兩輸出光束(47 48)功率比的調(diào)節(jié)，旋轉(zhuǎn)1/2 波片(404)微調(diào)快軸與y軸的夾角，使Port3和Port4(或者Port5和Port6)的光強比為 1:1;(4)1/4波片(407)主要實現(xiàn)對干涉儀(4)的輸出端口 Port3與Port5 (或者Port4與 Port6)輸出光束(45、47)(或者46、48)干涉信號正交性的調(diào)節(jié)；在兩個光學(xué)透射反射機構(gòu) (51)上加載振動信號，對多路正交干涉信號探測器(71 74)輸出的干涉信號進行分析，得 到正交信號的李薩如圖形，要求非線性相移小于1°。
全文摘要
本發(fā)明提供的是單頻激光偏振干涉儀在線調(diào)試裝置及方法。裝置包括穩(wěn)頻激光器、光隔離器、偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，待測單頻激光偏振干涉儀，光學(xué)透射反射機構(gòu)、光功率計、多路正交干涉信號探測器、干涉信號采集與分析系統(tǒng)、氣浮隔振光學(xué)平臺。該裝置的特征是集高偏振度激光的發(fā)生、旋轉(zhuǎn)、測量，以及干涉儀輸出的正交干涉信號的特性分析于一體，通過對偏振光學(xué)元件的在線性能測試和干涉儀輸出光強與干涉信號的幅值、相位畸變的評價，完成集成一體化干涉儀的安裝與調(diào)試，將單頻激光偏振干涉儀光路的固有非線性誤差減小到nm量級以下，提高干涉儀的測量精度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便，穩(wěn)定可靠，成本低廉，可實時完成單頻偏振激光干涉儀的性能在線評價。
文檔編號G01B9/02GK101995211SQ20101029697
公開日2011年3月30日 申請日期2010年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月29日
發(fā)明者劉彬彬, 吳冰, 李立艷, 楊軍, 苑勇貴, 苑立波 申請人:哈爾濱工程大學(xué)