[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

说明书

本发明公开了一种差动式正弦相位调制激光干涉纳米位移测量装置及方法。单频激光器输出的光束经偏振片转换为45°线偏振光，射向由分光镜、电光相位调制器、二分之一玻片、三个角锥棱镜、两个偏振分光镜组成的两套正弦相位调制干涉仪，形成测量和参考干涉信号，两个光电探测器接收；两套干涉仪公共参考臂的电光相位调制器施加高频正弦电压信号，将干涉信号调制为高频交流信号；检测被测对象运动时两路干涉信号的相位变化量之差，得到被测位移。本发明通过正弦相位调制提高了干涉信号的抗干扰能力，采用差动光路消除了参考臂和部分测量臂的温度漂移和环境扰动误差，具有亚纳米级测量精度，适用于高端装备制造与精密测试计量领域的精密位移测量。

技术领域

本发明涉及激光干涉位移测量方法及装置，尤其是涉及一种差动式正弦相位调制激光干涉纳米位移测量装置及方法，属于精密测量技术领域。

背景技术

高精度的纳米位移测量在超精密加工、微电子制造以及精密测试计量等技术领域有着重要的应用。激光干涉测量技术因具有测量范围大、测量精度高和直接溯源至激光波长的特点，在高端制造、精密测量、大科学研究等领域广泛应用。根据干涉信号处理方式的不同，主要分为单频干涉技术、外差干涉技术和正弦相位调制干涉技术，单频干涉技术本质上是一种直流光强检测，直流光强漂移、对干涉条纹细分直接细分和干涉信号非正交等会引入较大的误差；外差干涉技术是一种交流探测，可以克服直流光强漂移的影响，但是由于存在频率混叠和偏振混叠等引起的一阶非线性误差，限制了测量精度的提高；正弦相位调制干涉技术将单频干涉的直流干涉信号调制为高频正弦载波及其各阶谐频信号的边带，可以提高干涉信号的抗干扰能力，但是受测量过程中干涉仪的参考臂和测量臂的温度变化和环境波动等影响，位移测量精度难以提高。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种差动式正弦相位调制激光干涉纳米位移测量装置及方法，同时构建两套正弦相位调制干涉仪，在两套干涉仪的公共参考臂中放置电光相位调制器，将两套干涉仪的直流干涉信号调制为高频正弦载波交流信号，通过解调计算两路干涉信号的相位变化量之差来获得被测位移，实现亚纳米级位移测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种差动式正弦相位调制激光干涉纳米位移测量装置：

装置包括单频激光器、偏振片、分光镜、二分之一玻片、电光相位调制器、第一角锥棱镜、第一偏振分光镜、第二角锥棱镜、第三角锥棱镜、第二偏振分光镜、第一光电探测器和第二光电探测器；单频激光器输出的光束经偏振片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发生透射和反射：分光镜的反射输出光束经二分之一玻片后调制为s偏振光，经电光相位调制器调制后射向第一角锥棱镜发生折返反射，第一角锥棱镜反射的光束再次经过二分之一玻片后变成45°线偏振光并射向分光镜发生透射；分光镜的透射输出光束射向第一偏振分光镜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反射的s偏振光束射向第二角锥棱镜发生折返反射，经第一偏振分光棱镜透射的p偏振光束射向第三角锥棱镜发生折返反射，第二角锥棱镜反射的s偏振光束和第三角锥棱镜反射的p偏振光束回到第一偏振分光棱镜处并汇合为一束正交线偏振光入射到分光镜发生反射；经二分之一玻片返回的45°线偏振光束与第一偏振分光棱镜返回的正交线偏振光束在分光镜处合束，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反射后由第一光电探测器接收，p偏振干涉信号作为测量干涉信号经第二偏振分光镜透射后由第二光电探测器接收。

所述的偏振片的偏振透射方向与光束传播方向成45°。

所述的二分之一玻片的光轴与光束传播方向成22.5°。