本發(fā)明涉及精密測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于合成干涉信號偏振態(tài)檢測技術(shù)的納米測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

納米位移測量技術(shù)是高檔數(shù)控機(jī)床、極大規(guī)模集成電路、大面積掃描探針顯微鏡等超精密高端制造裝備的核心技術(shù)和關(guān)鍵功能部件，是實(shí)現(xiàn)高端制造、半導(dǎo)體、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域納米制造的保證。目前主要的納米測量方法有掃描隧道顯微鏡、光柵傳感器和激光干涉儀等，這幾種方法都能達(dá)到亞納米級分辨率。掃描隧道顯微鏡測量范圍僅為微米量程且存在米溯源問題，光柵傳感器光學(xué)元件安放困難。激光干涉儀可實(shí)現(xiàn)大量程納米測量、抗干擾能力強(qiáng)，是目前廣泛使用的納米測量方法，激光干涉儀是通過對位移引起的條紋移動的處理來實(shí)現(xiàn)位移測量，因此干涉條紋的細(xì)分方法和細(xì)分精度影響激光干涉儀的測量精度和測量分辨率，另外光學(xué)偏振混疊等引起的光學(xué)非線性誤差也限制了激光干涉儀的有效分辨率。

申請公布號CN103075969A公布了一種差動式激光干涉納米位移測量方法及裝置，該測量方法采用單頻干涉和差動原理。但是該方法的測量過程是一個還原過程，實(shí)時性測量受到限制。申請公布號CN104697438A公布了一種移動補(bǔ)償式角反射鏡激光干涉儀及使用方法，該干涉儀通過設(shè)置可移動微動平臺來獲得干涉過程中干涉波的小數(shù)部分以提高精度，但是其未考慮光學(xué)非線性誤差對測量精度的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于合成干涉信號偏振態(tài)檢測技術(shù)的納米測量系統(tǒng)。

本發(fā)明所采用的技術(shù)發(fā)明如下：

本發(fā)明由激光源、偏振片、λ/2波片、第一偏振分光鏡、第一λ/4波片、固定鏡、第二λ/4波片、移動鏡、第三λ/4波片、第一液晶調(diào)制器、第二液晶調(diào)制器、第二偏振分光鏡、第一光電探測器、第二光電探測器組成。

上述各部分的連接關(guān)系如下：

激光源出射線性偏振光偏振角為45°，可由偏振片和λ/2波片調(diào)整得到，該偏振光經(jīng)第一偏振分光鏡被分成兩束：即P偏振光和S偏振光。P偏振光經(jīng)過第一λ/4波片后變成圓偏振光被發(fā)送至固定鏡，S偏振光經(jīng)第二λ/4波片后變成圓偏振光被發(fā)送至移動鏡。P偏振光經(jīng)過固定鏡反射后通過第一λ/4波片和第一偏振分光鏡成為圓偏振光，S偏振光經(jīng)過移動鏡反射后通過第二λ/4波片和第一偏振分光鏡成為圓偏振光。兩個圓偏振光經(jīng)過第三λ/4波片成為線性偏振光，該線性偏振光經(jīng)過第一液晶調(diào)制器、第二液晶調(diào)制器后，通過第二偏振分光鏡被分成兩束正交的線性偏振光P光和S光，由第一光電探測器和第二光電探測器探測其光強(qiáng)I_T和I_R，改變2個液晶調(diào)制器的相位延遲量，再由2個光電探測器探測其光強(qiáng)I_T’和I_R’。

所述的納米測量系統(tǒng)由激光干涉單元和偏振態(tài)檢測單元兩部分組成。激光干涉單元的出射光作為偏振態(tài)檢測單元的入射光，激光干涉單元的出射光為隨著移動鏡移動而旋轉(zhuǎn)的線性偏振光。

所述的激光干涉單元由激光源、偏振片、λ/2波片、第一偏振分光鏡、第一λ/4波片、固定鏡、第二λ/4波片、移動鏡、第三λ/4波片組成。激光干涉單元出射偏振光方位角θ和移動鏡的位移量Δx成線性關(guān)系。

所述的偏振態(tài)檢測單元由第一液晶調(diào)制器、第二液晶調(diào)制器、第二偏振分光鏡、第一光電探測器、第二光電探測器組成。偏振態(tài)檢測單元中的兩個液晶調(diào)制器的相位延遲量由高壓放大器輸出幅值控制，其中第一液晶調(diào)制器的快軸選取在水平方向，第二液晶調(diào)制器的快軸與水平方向成45°。測量經(jīng)過不同相位延遲下液晶調(diào)制器的偏振光光強(qiáng)，可以得到Stokes矢量、橢圓度角ε和方位角θ。由此可以得到移動鏡的位移量Δx。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1.本發(fā)明在單頻邁克爾遜干涉儀的基礎(chǔ)上引入激光偏振干涉技術(shù)和激光偏振態(tài)檢測技術(shù)，構(gòu)建新型偏振干涉儀，可使測量分辨率達(dá)到納米量級，又使測量范圍沒有測量上限。

2.本發(fā)明可以通過旋轉(zhuǎn)干涉光路中的波片以及偏振片、結(jié)合激光偏振態(tài)檢測技術(shù)，可直觀地觀察并改變干涉光的線性度ε，可以有效減小光學(xué)非線性誤差，從而提高測量精度。

3.本發(fā)明采用相位調(diào)制法測量偏振光的偏振態(tài)，相比于傳統(tǒng)的商用偏振計(jì)，減小了機(jī)械誤差，提高信噪比，從而提高了干涉儀的分辨率和測量速度，還降低了成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的納米測量系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明由激光源1、偏振片2、λ/2波片3、第一偏振分光鏡4、第一λ/4波片5、固定鏡6、第二λ/4波片7、移動鏡8、第三λ/4波片9、第一液晶調(diào)制器10、第二液晶調(diào)制器11、第二偏振分光鏡12、第一光電探測器13、第二光電探測器14組成。

本發(fā)明系統(tǒng)由激光干涉單元和偏振態(tài)檢測單元兩部分組成，其中激光干涉單元由激光源1、偏振片2、λ/2波片3、第一偏振分光鏡4、第一λ/4波片5、固定鏡6、第二λ/4波片7、移動鏡8、第三λ/4波片9組成。激光源1出射一束線性偏振光，該線性偏振光依次經(jīng)過偏振片2、λ/2波片3，經(jīng)過偏振片2、λ/2波片3調(diào)整可以得到偏振角為45°的線性偏振光，該45°的線性偏振光經(jīng)過第一偏振分光鏡4被分成兩束線性偏振光分別為S偏振光和P偏振光。P偏振光經(jīng)第二λ/4波片7后變成圓偏振光被發(fā)送至移動鏡8。P偏振光經(jīng)過固定鏡6反射后通過第一λ/4波片5和第一偏振分光鏡4成為圓偏振光，S偏振光經(jīng)過移動鏡8反射后通過第一λ/4波片5后變成圓偏振光被發(fā)送至固定鏡6，S偏振光經(jīng)過第二λ/4波片7和第一偏振分光鏡4成為圓偏振光。兩個圓偏振光經(jīng)第三λ/4波片成為線性偏振光。該線性偏振光即是激光干涉部分的出射光。

當(dāng)移動鏡8移動時，激光干涉單元出射光的相位角θ會發(fā)生變化，變化值為±φ，正負(fù)符號與移動鏡的移動方向有關(guān)，而激光干涉單元的出射光為線性偏振光，相位角θ與相位變化量Φ有關(guān)。因此，移動鏡8的位移量Δx可通過測量偏振平面的方位角θ來測量，位移量Δx與方位角變化量Δθ的關(guān)系表達(dá)式為：

式中，λ₀為真空激光波長，n為空氣折射率。位移量值Δx由方位角θ變化的整數(shù)周期脈沖個數(shù)和不到一個周期的θ的當(dāng)前值決定，被測物體的運(yùn)動方向依據(jù)方位角θ的轉(zhuǎn)動方向(逆時針或順時針)來判斷。

本發(fā)明的偏振檢測單元由第一液晶調(diào)制器10、第二液晶調(diào)制器11、第二偏振分光鏡12、第一光電探測器13、第二光電探測器14組成。激光干涉單元的出射光即為偏振檢測單元的入射光。該線性偏振光經(jīng)過第一液晶調(diào)制器10、第二液晶調(diào)制器11后，通過第二偏振分光鏡13被分成兩束正交的線偏振光P光和S光，由第一光電探測器14和第二探測器15探測其光強(qiáng)I_T和I_R，改變2個液晶調(diào)制器的相位延遲量，再由2個光電探測器探測其光強(qiáng)I_T’和I_R’。

本發(fā)明的偏振檢測單元采用基于電光液晶相位調(diào)制的偏振測量系統(tǒng)，利用電光調(diào)制器的雙折射系數(shù)由所加電壓控制的特性，對干涉儀出射光的偏振狀態(tài)進(jìn)行精確控制。偏振態(tài)檢測單元中的第一液晶調(diào)制器10、第二液晶調(diào)制器11的相位延遲量由高壓放大器輸出幅值控制，其中第一液晶調(diào)制器10的快軸選取在水平方向，第二液晶調(diào)制器11的快軸與水平方向成45°。改變的第一液晶調(diào)制器10、第二液晶調(diào)制器11的相位延遲量，可以由第一光電探測器14、第二探測器15測的不同的光強(qiáng)，就可以計(jì)算出Stokes矢量、橢圓度角ε和方位角θ，從而全面描述光束的偏振狀態(tài)。Stokes矢量與光強(qiáng)的關(guān)系表達(dá)式為：

控制第一液晶調(diào)制器10為0相位延遲，控制第二液晶調(diào)制器11分別為0和λ/2相位延遲，激光干涉單元的出射光經(jīng)過不同相位延遲后由通過第二偏振分光鏡13被分成兩束正交的線偏振光P光和S光，由第一光電探測器14和第二探測器15探測其光強(qiáng)I_T和I_R，改變2個液晶調(diào)制器的相位延遲量，再由2個光電探測器探測其光強(qiáng)I_T’和I_R’。可以測得S1.

同理，控制第一液晶調(diào)制器10為0相位延遲，控制第二液晶調(diào)制器11分別為λ/4和3λ/4相位延遲，可以測得S2。

同理，控制第一液晶調(diào)制器10為λ/4相位延遲，控制第二液晶調(diào)制器11分別為λ/4和3λ/4相位延遲，可以測得S3。

再由S₁，S₂，S₃可以測得橢圓度角ε和方位角θ，其中橢圓度角ε和Stokes矢量的關(guān)系表達(dá)式為：

橢圓度角ε可表征干涉儀出射光的偏振線性度，結(jié)合波片位置調(diào)整，確保干涉儀出射光為線性偏振光(ε＝0°)，抑制主要由光源偏振態(tài)的非線性、波片方位角偏差、偏振分光鏡偏振度不良引起的干涉儀出射光的偏振橢圓化，從而減小干涉儀非線性誤差，提高測量精度。

方位角θ與Stokes矢量的關(guān)系表達(dá)式為：

即

代入典型值：當(dāng)波長λ＝632.992027nm，方位角θ的測量精度達(dá)到0.01°時，干涉條紋細(xì)分倍數(shù)達(dá)到36000倍，優(yōu)于目前的干涉條紋細(xì)分方法，位移量的分辨率可以達(dá)到0.017nm.

至此完成本發(fā)明。