用迈克尔逊干涉仪测微定位工作台的位移

　　在电子、光学及机械制造等技术领域中,迫切需要一种高分辨率、高可靠性且精度可达纳米量级的定位系统,用于直接工作或配合其它仪器设备完成高精度的研究和使用.纳米定位技术在微机电系统(MEMS)、纳米材料、纳米电子、纳米器材及生物工程等众多高科技领域将发挥着越来越重要的作用[1,2].

　　压电陶瓷具有结构简单、体积小、分辨率高、控制简单、没有发热问题及刚度较高等优点,是理想的微位移定位器件,被广泛应用于各种精密定位场合[3,4].

　　弹性铰链导轨利用中间弹性元件的变形提供导向功能,避免了运动部件之间的摩擦,因此利用弹性铰链导轨作为微定位平台的导向机构,能够克服平台运动过程中的爬行、反向间隙和机械磨损等缺点,达到提高微定位平台运动精度的要求[5].

　　在迈克尔逊干涉实验装置基础上,用压电陶瓷执行器作为驱动器,研制了一种结构简单、操作方便的微定位柔性铰链工作台,本文详细阐述了整个微定位工作台的实验装置,实验结果及数据处理,并对影响系统定位的误差作了相关分析.

　　1　实验装置

　　1.1　基于迈克尔逊干涉的微定位工作台

　　迈克尔逊干涉仪的原理如下图:

　　干涉仪中的补偿板G2是为了消除分光板分出的两束光的不对称性而设置的.用白光作光源时因为玻璃有色散,不同波长的光有不同的折射率,因此对于不同的波长通过玻璃板时增加的光程不同;然而在单色光照明时,反射光经过玻璃板所增加的光程可以用空气中的行程补偿,故可以不放置G2.

　　1.2　压电驱动实验

　　具体实验装置如图2.稳频He2Ne气体激光器发出的激光束被分光镜一分为二,一束射向固定反射镜M2,一束射向固定在柔性铰链工作台的另一反射镜M1.当直流电源向压电陶瓷通电并不断改变其输入电压时,工作台发生微小位移变化,从而引起M1的位置发生变化,干涉仪的一个臂长也随着发生变化,干涉条纹发生相移,光强探测器(JP26激光稳频器)通过检测等倾干涉(应M1′∥M2)条纹的中央条纹的强弱变化得到工作台的位移改变量,并通过计算间接得出其位移量.另一种方法也可通过检测等厚干涉条纹而得出微动工作台的微位移方法,可参考文献[6].

　　2　实验结果及数据分析处理

　　2.1　理论依据

　　由迈克尔逊干涉仪的光强分布公式可知,对于两束相干光迭加区域内某一点P,P点的光强可以表示为:

式(1)中:I1、I2—分别为两束相干光的光强,δ—两光波的相位差.在实验中,相干光的相位差对应于2倍的微位移.

式(2)中:d—两束相干光的距离差,即工作台的微位移.