[发明专利]基于阵列式探测器的单光束三自由度零差激光干涉仪

说明书

基于阵列式探测器的单光束三自由度零差激光干涉仪属于激光应用技术领域；本发明将单一频率的激光光束输入至迈克尔逊干涉结构，通过设置参考平面反射镜的角度使得测量光束和参考光束非共轴干涉并形成单光束零差干涉信号，选用阵列式探测器有效接收单光束零差干涉信号，最终通过基于Lissajous椭圆拟合的三自由度解耦方法对单光束零差干涉信号实现三自由度信号线性解耦。本发明所述的激光干涉仪不存在角度解耦非线性，显著降低了周期非线性误差，相比于其他现有三自由度激光干涉仪同时兼具结构简单、角度测量范围大和易于集成的优点，满足了三自由度激光干涉仪对位移及角度测量的高精度需求。

技术领域

本发明属于激光应用技术领域，主要涉及一种基于阵列式探测器的单光束三自由度零差激光干涉仪。

背景技术

激光干涉测量技术是精密工程中的基础核心技术，在精密计量、高端装备制造以及大科学装置等领域发挥着十分重要的作用。随着上述领域近年来的飞速发展，不仅需要位移测量的精度从纳米量级提升至亚纳米乃至皮米量级，同时也需要位移测量的形式从单轴线位移测量转变为多轴线/角位移三自由度复合测量。

目前，在多轴激光干涉测量领域使用最广泛的是基于平行光束测量的激光干涉仪。基于平行光束测量的激光干涉仪按原理可分为零差/外差激光干涉测量，通常以三轴(或多轴)相互平行的测量光束同时测量被测目标的不同部分，每一轴的测量光束均实现单轴位移测量，且测量光斑在被测目标面按照“品”字型或“L”型等方式排列。由每个测量轴得到的位移结果可解算出被测目标的三自由度信息，包括位移、偏摆角和俯仰角。

在激光干涉仪众多误差源中，周期非线性误差是限制激光干涉仪突破纳米精度的主要瓶颈。Heydemann椭圆拟合修正方法可将零差激光干涉仪的周期非线性误差抑制到亚纳米量级(Collett M.J.,Tee G.J.Ellipse Fitting for Interferometry.Part 1:Static Methods[J].J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis,2014,31(12):2573-2583)，与多轴激光干涉测量的深亚纳米/皮米级精度需求仍有差距。消除光学混叠的非共光路外差干涉结构可将外差激光干涉仪的周期非线性误差抑制到深亚纳米量级，其中将周期非线性误差抑制在10pm左右的有哈尔滨工业大学的胡鹏程等人提出的非共光路外差干涉结构(FuH.,Wu G.,Hu P.,et al.Highly Thermal-Stable Heterodyne Interferometer withMinimized Periodic Nonlinearity[J].Appl Opt,2018,57(6):1463-1467)以及德国PTB的Weichert等人提出的非共光路外差干涉结构(Weichert C.,P.,R.,etal.A Heterodyne Interferometer with Periodic Nonlinearities Smaller Than±10pm[J].Measurement Science and Technology,2012,23(9):094005)，但非共光路外差干涉结构元件组成复杂，其原理导致输入光束的数量比传统共光路外差干涉结构多一倍，在多轴的位移和角度测量中均会耦合叠加各测量轴的周期非线性误差，故目前仅应用于单轴测量。

除此以外，基于平行光束的激光干涉仪一般采用传统的棱镜组逐级分光，其设计和加工难度极大，其分光过程中的平行度误差会随着入射光束数量的增加而累积。Keysight(原Agilent)、Zygo等少数激光干涉仪龙头企业掌握了利用棱镜组逐级分光实现的高精度平行分光技术，并在此基础上研制了单体式多轴干涉镜组。Keysight公司的单体三轴干涉镜组光轴平行度高达25μrad，但单体五轴干涉镜组光轴平行性即已降低为100μrad。此外，当测量距离较大时，空气中的湍流还会对每轴测量光束造成不同程度的扰动，影响位移和角度的测量稳定性。