[发明专利]差动式正弦相位调制激光干涉纳米位移测量装置及方法

权利要求书

1.一种差动式正弦相位调制激光干涉纳米位移测量装置，其特征在于：包括单频激光器(1)、偏振片(2)、分光镜(3)、二分之一玻片(4)、电光相位调制器(5)、第一角锥棱镜(6)、第一偏振分光镜(7)、第二角锥棱镜(8)、第三角锥棱镜(9)、第二偏振分光镜(10)、第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)；单频激光器(1)输出的光束经偏振片(2)后转换为偏振方向与光束传播方向成45°的线偏振光射向分光镜(3)发生透射和反射：分光镜(3)的反射输出光束经二分之一玻片(4)后调制为s偏振光，经电光相位调制器(5)调制后射向第一角锥棱镜(6)发生折返反射，第一角锥棱镜(6)反射的光束再次经过二分之一玻片(4)后变成45°线偏振光并射向分光镜(3)发生透射；分光镜(3)的透射输出光束射向第一偏振分光镜(7)发生反射和透射分别分为s偏振和p偏振的两束正交线偏振光束，经第一偏振分光棱镜(7)反射的s偏振光束射向第二角锥棱镜(8)发生折返反射，经第一偏振分光棱镜(7)透射的p偏振光束射向第三角锥棱镜(9)发生折返反射，第二角锥棱镜(8)反射的s偏振光束和第三角锥棱镜(9)反射的p偏振光束回到第一偏振分光棱镜(7)处并汇合为一束正交线偏振光入射到分光镜(3)发生反射；经二分之一玻片(4)返回的45°线偏振光束与第一偏振分光棱镜(7)返回的正交线偏振光束在分光镜(3)处合束，其中45°线偏振光束的s偏振分量和正交线偏振光束的s偏振光产生干涉形成s偏振干涉信号，45°线偏振光束的p偏振分量和正交线偏振光束的p偏振光产生干涉形成p偏振干涉信号，s偏振干涉信号作为参考干涉信号经第二偏振分光镜(10)反射后由第一光电探测器(11)接收，p偏振干涉信号作为测量干涉信号经第二偏振分光镜(10)透射后由第二光电探测器(12)接收。

2.根据权利要求1所述的一种差动式正弦相位调制激光干涉纳米位移测量装置，其特征在于：所述的偏振片(2)的偏振透射方向与光束传播方向成45°。

3.根据权利要求1所述的一种差动式正弦相位调制激光干涉纳米位移测量装置，其特征在于：所述的二分之一玻片(4)的光轴与光束传播方向成22.5°。

4.根据权利要求1所述的一种差动式正弦相位调制激光干涉纳米位移测量装置，其特征在于：所述的电光相位调制器(5)放置在二分之一玻片(4)和第一角锥棱镜(6)之间，调制的是射向第一角锥棱镜(6)的二分之一玻片(4)输出的s偏振光束，且电光相位调制器(5)的电场施加方向与s偏振光的偏振方向一致。

5.一种差动式正弦相位调制激光干涉纳米位移测量方法，其特征在于：

方法采用权利要求1所述的测量装置，方法步骤如下：1)单频激光器(1)输出波长为λ的光束经偏振片(2)转换为偏振方向与光束传播方向成45°的线偏振光，分别射向由分光镜(3)、二分之一玻片(4)、电光相位调制器(5)、第一角锥棱镜(6)、第一偏振分光镜(7)和第二角锥棱镜(8)组成的参考正弦相位调制干涉仪和由分光镜(3)、二分之一玻片(4)、电光相位调制器(5)、第一角锥棱镜(6)、第一偏振分光镜(7)和第三角锥棱镜(9)组成的测量正弦相位调制干涉仪，分别形成参考干涉信号和测量干涉信号，经第二偏振分光镜(10)分光后由两个光电探测器(11、12)接收；

2)电光相位调制器(5)放置在正弦相位调制干涉仪的二分之一玻片(4)和第一角锥棱镜(6)之间，调制由二分之一玻片(4)出射、向第一角锥棱镜(6)入射的s偏振光束，对电光相位调制器(5)施加电场方向与s偏振光的偏振方向一致的高频正弦载波电压，将参考正弦相位调制干涉仪和测量正弦相位调制干涉仪的干涉信号调制为高频正弦载波交流干涉信号；

3)第三角锥棱镜(9)移动位移ΔL时，采用PGC相位解调方法获得参考干涉信号的相位变化量和测量干涉信号的相位变化量分别为：

式中：λ为激光波长，δL_R为第三角锥棱镜(9)运动过程中温度漂移和环境扰动引起的分光镜(3)至第一角锥棱镜(6)之间的光程波动，δL_M为第三角锥棱镜(9)运动过程中温度漂移和环境扰动引起的分光镜(3)至第一偏振分光镜(7)之间的光程波动；

4)通过计算测量干涉信号的相位变化量和参考干涉信号的相位变化量之差，再采用以下公式得到被测位移ΔL为：

至此求出第三角锥棱镜(9)的运动位移。