基于激光技术的亚纳米级位移测量系统的研究

　　1　引　　言

　　目前,使用的长度溯源依然是光波长,因此光学的纳米测量尤为重要,并且始终受到国内外关注和研究[1]。在光学纳米测量中,主要是激光干涉的方法。当前该领域研究,已突破纳米级测量,开始迈向亚纳米级时代。俄罗斯科学院的M.N.Dubrov采用独特激光干涉技术用于伺服系统[2],利用自制的透射反射光栅或光电二极管光栅,将干涉条纹进行放大。在±105个干涉条纹移动范围内可使位移测量分辨力达到1 pm,精确度优于1%。美国国家标准技术研究院(NIST)的John Lawall等研制高精度外差激光干涉仪作为测量标定基准[3]。利用数字信号处理(DSP)技术使测量分辨力达到9 pm。日本产业技术综合研究院的MarikoKajmi a等利用飞秒光梳研制激光干涉仪[4],设计变焦干涉仪。实际测量分辨力达到30 pm,测量精度为1.3 nm,在500 nm的动态范围内线性度为10 nm,用于超精密定位系统。除了上述展开介绍的几个单位研究情况外,还有很多其他单位[5-11]致力于该领域的研究,本文将激光多普勒技术和激光偏振干涉技术相结合,充分利用其优点,设计新型激光干涉测量光路,提出新型的亚纳米级位移测量系统。

　　2　光学系统工作原理

　　测量光路是在马赫-曾德干涉仪的基础上进行改进,将激光多普勒技术与激光偏振干涉测量技术相结合,综合二者的优势,形成独特的光路结构。测量光路原理图如图1所示。图中,干涉光学系统由激光器、偏振分光镜、反射镜、衍射光栅、偏振片和凸透镜组成。激光器发出频率为f、波长为λ的激光束,经过偏振分光镜后分成p光和s光,分别射向衍射光栅,经光栅衍射后形成+1级p衍射光和+1级s衍射光。这2束衍射光经过反射境反射,再次射向衍射光栅,经过二次衍射后形成(+1,+1)级p衍射光和(+1, +1)级s衍射光。2束二次衍射光经过偏振分光镜,分别通过和被反射。通过调整偏振片的偏振化方向,改变2束光在其透光轴上的分量。2束二次衍射光分量由于满足干涉条件而发生干涉,经凸透镜放大后,干涉条纹信号由四元光电探测器进行接收。

　　平移台用于固定衍射光栅和产生位移。当衍射光栅沿x轴发生位移时,引起p光和s光的频率变化,使条纹随之移动。光电探测器接收到的光强发生周期性变化,通过对光电信号的后续处理,测量出光栅的位移量即被测物体的位移量。

　　与常用干涉仪相比,本光路具有如下优点:

　　1)抗干扰能力强。2束光所经光路完全相同,共用光学元件,所成角度完全对称,不会引入光路不对称造成的误差,不易受环境振动和气压变化影响。

　　2)出射光束方向与激光器垂直,可以自动抑制激光反馈,通过调整偏振片方向来调整偏振光透过角度,从而调节干涉条纹的可见度。