雷射雙頻合成波長幹涉儀的製作方法
2023-05-13 05:04:11
專利名稱：雷射雙頻合成波長幹涉儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及領域為採用光學測量方法為其特徵的儀器，是一種雷射雙頻合成波長幹涉儀。
背景技術：
光學幹涉納米測量技術廣泛採用了對幹涉條紋進行細分方法來獲得高的測量解析度，針對不同的幹涉儀存在許多幹涉條紋細分方法，歸結起來主要可以分為兩類，一類是光學細分方法，即從光學系統設計方面考慮，利用光路結構的設計或者利用光學元件性質的設計來實現，例如，光學倍乘方法，分布調製方法和磁光偏振光幹涉儀；另一類是電子細分方法，例如，電阻鏈細分、A/D變換細分、數字鑑相細分和鎖相倍頻細分等方法。這些方法實現的細分係數一般在1/2-1/10000之間，而且要達到比較高的細分係數，除在合理設計光學系統的同時還必須具有靈敏、穩定的電子處理電路，所以系統一般比較複雜、精密度要求較高。所以現有光學幹涉納米測量技術難以實現高精度的納米測量和兼顧大範圍的納米測量。
發明內容
本實用新型的目的是提供一種雷射雙頻合成波長幹涉儀，即在同一套幹涉儀光路中有兩個麥可遜幹涉儀的結構，形成了合成波長對幹涉條紋的極大細分，細分係數達1/1760000，因此易於實現納米級甚至皮米級的納米測量，結合對幹涉條紋整數級次的計數，可以實現毫米量級範圍的大範圍納米測量。
本實用新型採用的技術方案如下包括雙頻雷射器，四個分光鏡，參考鏡，光闌，二個偏振分光鏡，三個角錐稜鏡，二個1/4波片，帶光闌的反射鏡，測量鏡，反射鏡，三個檢偏器，四個光電探測器。第一角錐稜鏡和第二角錐稜鏡與第一偏振分光鏡成對稱布置，雙頻雷射器發出相互正交的雙縱模偏振光λ1和λ2，由第一分光鏡分成反射和透射兩束光，反射光束經參考鏡返回後透過第一分光鏡，透射光束經過光闌射向第一偏振分光鏡，其中波長為λ1的透射光由第一偏振分光鏡反射至第一角錐稜鏡，然後經反射鏡、第二1/4波片、第三角錐稜鏡和第一偏振分光鏡射向第一分光鏡，波長為λ2的透射光再次透過第一偏振分光鏡經第一1/4波片、帶光闌的反射鏡射向測量鏡，然後被反射至第一偏振分光鏡，經第二角錐稜鏡、帶光闌的反射鏡、反射鏡、第二1/4波片、第三角錐稜鏡、測量鏡、第一偏振分光鏡後也射向第一分光鏡；射向第一分光鏡的透射光束經第一分光鏡反射後，與透過第一分光鏡的反射光束一起射向第二偏振分光鏡，其中波長為λ1的光被透過至第一光電探測器，波長為λ2的光被反射至第二、第三、第四分光鏡後，分別經各自的第一、第二、第三檢偏器至各自的第二、第三、第四光電探測器。
本實用新型具有的有益的效果是在光路中有兩個麥可遜幹涉儀的結構，即參考幹涉儀和測量幹涉儀。用二個波長λ1和λ2形成合成波長λS，利用λS對λ2進行細分，細分係數達到1/1760000，可以進行亞納米級精度的納米測量，結合對λ2形成的整數幹涉條紋進行計數，可以實現測量鏡毫米量級範圍的納米測量。測量鏡納米級位移由第一光電探測器和第二光電探測器來實現，測量鏡和參考鏡的毫米級位移由第一、第二、第三檢偏器和第二、第三、第四光電探測器來實現。本實用新型主要適用於納米技術、微光機電技術、集成電路晶片製造技術、生物技術等領域所涉及的大範圍納米測量領域。
附圖是雷射雙頻合成波長幹涉儀的結構原理圖。
具體實施方式
如附圖所示，本實用新型包括雙頻雷射器1，四個分光鏡2、24、23、22，參考鏡3，光闌4，二個偏振分光鏡5、14，三個角錐稜鏡6、10、12，二個1/4波片7、11，帶光闌的反射鏡8，測量鏡9，反射鏡13，三個檢偏器16、19、21，四個光電探測器15、17、18、20。第一角錐稜鏡6和第二角錐稜鏡10與第一偏振分光鏡5成對稱布置，雙頻雷射器1發出相互正交的雙縱模偏振光λ1和λ2，由第一分光鏡2分成反射和透射兩束光，反射光束經參考鏡3返回後透過第一分光鏡2，透射光束經過光闌4射向第一偏振分光鏡5，其中波長為λ1的透射光由第一偏振分光鏡5反射至第一角錐稜鏡6，然後經反射鏡13、第二1/4波片11、第三角錐稜鏡12和第一偏振分光鏡5射向第一分光鏡2，波長為λ2的透射光再次透過第一偏振分光鏡5經第一1/4波片7、帶光闌的反射鏡8射向測量鏡9，然後被反射至第一偏振分光鏡5，經第二角錐稜鏡10、帶光闌的反射鏡8、反射鏡13、第二1/4波片11、第三角錐稜鏡12、測量鏡9、第一偏振分光鏡5後也射向第一分光鏡2；射向第一分光鏡2的透射光束經第一分光鏡2反射後，與透過第一分光鏡2的反射光束一起射向第二偏振分光鏡14，其中波長為λ1的光被透過至第一光電探測器15，波長為λ2的光被反射至第二、第三、第四分光鏡24、23、22後，分別經各自的第一、第二、第三檢偏器16、19、21至各自的第二、第三、第四光電探測器17、18、20。
在本實用新型中，實際存在兩個麥可遜幹涉儀，即由第一分光鏡2、參考鏡3、第一偏振分光鏡5、第一角錐稜鏡6、反射鏡13、第二1/4波片11和第三角錐稜鏡12組成的對波長λ1的一路麥可遜幹涉儀，稱之為參考幹涉儀；由第一分光鏡2、參考鏡3、第一偏振分光鏡5、第一1/4波片7、帶光闌的反射鏡8、測量鏡9、第二角錐稜鏡10、反射鏡13、第二1/4波片11和第三角錐稜鏡12組成的對波長λ2的另一路麥可遜幹涉儀，稱之為測量幹涉儀。在測量幹涉儀的第一偏振分光鏡5、帶光闌的反射鏡8和測量鏡9之間，光束往返4次，所以可以實現對波長λ2的8倍細分；在參考鏡3、第一分光鏡2、第一偏振分光鏡5、反射鏡13、第三角錐稜鏡12和第二偏振分光鏡14之間，參考幹涉儀和測量幹涉儀具有共光路的結構，該結構可以有效抑制環境因素變化對測量結果的影響。
在本實用新型中，測量鏡的被測位移可以表示為L＝Ln+Δl (a)其中(1)、(a)式中的Ln可由整數幹涉條紋計數法獲得，即Ln=n28.]]>具體實施方法為第一檢偏器16的通光方向取水平方向，第二檢偏器19的通光方向取45°方向，第三檢偏器21的通光方向取垂直方向，那麼第二、三、四光電探測器17、18、20檢測到的幹涉條紋信號的相位分別是0°90°180°採用可逆計數法則可獲得整數幹涉條紋數值n。
(2)、(a)式中的Δl利用合成波長對幹涉條紋的細分方法獲得。具體實施方法為由第一、第二光電探測器15和17分別檢測波長λ1和λ2的幹涉條紋信號。波長λ1隻在參考幹涉儀中進行幹涉，幹涉信號的相位差為 式中L是參考幹涉儀中反射光束和透射光束的光程差。波長λ2在測量幹涉儀中進行幹涉，幹涉信號的相位差為 式中L2是第一偏振分光鏡5和測量鏡9之間的距離。設Δ＝1-2，則有 式中s=12|1-2|]]>是合成波長。當測量鏡9有微小的位移Δl(納米量級)，則相位差Δ變為 為了得到測量鏡9的位移，可將參考鏡3移動ΔL使Δ′回到Δ，即使L→L+ΔL，則Δ′→Δ，由公式(b)和(c)得到l=24sL---(d)]]>上式表明測量鏡9納米量級的被測位移可以通過檢測參考鏡毫米量級的位移ΔL來獲得。參考鏡位移ΔL可採取與(1)相似的幹涉條紋計數法獲得，即Ln=n22.]]>至此，(a)式中的Δl可以算出。
由以上(1)、(2)可以獲得測量鏡的被測位移。
由式(d)可得本套幹涉儀對幹涉條紋的細分係數為K=24s,]]>若採用632.8nm的雙縱模He-Ne雷射器，其輸出的兩個光波頻率差約為Δν＝1070MHz，則合成波長為λs≈280mm，細分係數為K=24s=0.6328106428010-311760000,]]>這樣大的細分係數要優於目前所有的幹涉條紋細分方法。
權利要求1.一種雷射雙頻合成波長幹涉儀，其特徵在於它包括雙頻雷射器(1)，四個分光鏡(2、24、23、22)，參考鏡(3)，光闌(4)，二個偏振分光鏡(5、14)，三個角錐稜鏡(6、10、12)，二個1/4波片(7、11)，帶光闌的反射鏡(8)，測量鏡(9)，反射鏡(13)，三個檢偏器(16、19、21)，四個光電探測器(15、17、18、20)；第一角錐稜鏡(6)和第二角錐稜鏡(10)與第一偏振分光鏡(5)成對稱布置，雙頻雷射器(1)發出相互正交的雙縱模偏振光λ1和λ2，由第一分光鏡(2)分成反射和透射兩束光，反射光束經參考鏡(3)返回後透過第一分光鏡(2)，透射光束經過光闌(4)射向第一偏振分光鏡(5)，其中波長為λ1的透射光由第一偏振分光鏡(5)反射至第一角錐稜鏡(6)，然後經反射鏡(13)、第二1/4波片(11)、第三角錐稜鏡(12)和第一偏振分光鏡(5)射向第一分光鏡(2)，波長為λ2的透射光再次透過第一偏振分光鏡(5)經第一1/4波片(7)、帶光闌的反射鏡(8)射向測量鏡(9)，然後被反射至第一偏振分光鏡(5)，經第二角錐稜鏡(10)、帶光闌的反射鏡(8)、反射鏡(13)、第二1/4波片(11)、第三角錐稜鏡(12)、測量鏡(9)、第一偏振分光鏡(5)後也射向第一分光鏡(2)；射向第一分光鏡(2)的透射光束經第一分光鏡(2)反射後，與透過第一分光鏡(2)的反射光束一起射向第二偏振分光鏡(14)，其中波長為λ1的光被透過至第一光電探測器(15)，波長為λ2的光被反射至第二、第三、第四分光鏡(24、23、22)後，分別經各自的第一、第二、第三檢偏器(16、19、21)至各自的第二、第三、第四光電探測器(17、18、20)。
專利摘要本實用新型公開了一種雷射雙頻合成波長幹涉儀，它包括雙頻雷射器，四個分光鏡，參考鏡，光闌，二個偏振分光鏡，三個角錐稜鏡，二個1/4波片，帶光闌的反射鏡，測量鏡，反射鏡，三個檢偏器和四個光電探測器等組成。在光路中有兩個麥可遜幹涉儀的結構，二個波長λ
文檔編號G01J9/02GK2597969SQ03228600
公開日2004年1月7日 申請日期2003年1月22日 優先權日2003年1月22日
發明者陳本永, 孫政榮, 吳曉維 申請人:浙江工程學院