专利名称：可消除非线性的外差激光干涉仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种干涉仪，特别是关于一种可消除非线性的外差激光干涉仪。
背景技术：
外差激光干涉仪在精密机械制造以及各种超精密测量中被广泛应用。随着MEMS技术的发展，对长度测量的不确定度能满足亚纳米级范围的要求越来越高，对于纳米范围的测量，激光干涉仪具有特别的优势。从理论上讲，如果使用高分辨率的相位卡进行相位测量，它的精确度可高于0. 1°，那么对应的位移测量就可以很容易地得到0. Inm的分辨率。然而，由于其光学系统中不可避免地存在一定缺陷，导致被测信号中出现一个附加的相位误差，使测到的相位移和被测长度不成线性关系。这种 误差随着被测长度的变化以光波波长为周期变化，被称作外差干涉仪的非线性误差。它存在于所有的激光干涉仪中，只是程度不同而已。因此，它将限制外差激光干涉仪的有效分辨率。目前，提出了采用双相位测量和增加光程倍数N的光波细分等方法来补偿非线性。这些方法可以在一定程度上减小外差干涉仪的非线性，但不能消除非线性。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种由工业计算机控制使产生测量信号光路中的偏振片(检偏器)旋转便能消除非线性的可消除非线性的外差激光干涉仪。为了实现上述目的，本发明一种可消除非线性的外差激光干涉仪，它包括光路部分和控制部分。光路部分包括双频激光器、非偏振分光镜、偏振分光镜、三个1/4波片、两个角反射镜、两个偏振片、两个光电探测器；控制部分包括相位卡、工控机、驱动器、直流伺服电机和编码器，其中，伺服电机的转轴是空心轴，补偿偏振片安装其上。激光器发出的光经非偏振分光镜分光，反射光通过偏振片到达光电探测器形成参考信号I贫;经非偏振分光镜的透射光进入偏振分光镜被分成两个方向(干涉仪的两个光臂)的光，两束光分别沿着不同的路径穿过1/4波片经角反射镜反射后返回，再次经过偏振分光镜形成干涉光，干涉光经1/4波片和偏振片到达光电探测器形成测量信号JM。参考信号Ze和测量信号/M进入相位卡比相，可得出相位差。假设被偏振分光镜分成的两束光是相互正交的，分别为X方向和Y方向。在理想情况下，激光器的两线偏振光与X，Y方向一致，那么频率完全分离，随着干涉仪测量镜位置的变化使得两干涉臂光程差变化AZ时，测量信号/M的相位差为△ 0。测量信号和参考信号经相位卡比相可得到这个相位差，它与光程差成正比。然而，由于多种因素的影响，在一个或两个干涉臂中经常出现混频现象，使干涉信号/M的相位差附加了非线性误差Y，它随着A 作周期性变化。由于r的存在，使相位卡得到的相位差与光程差DZ不再成线性关系。本发明的控制系统就是为消除外差激光干涉仪非线性而设计的。工控机根据采集到的相位差信号依照相应的程序控制直流伺服电机使偏振片按一定方向旋转，直到相位差数值数显示为零，这时由编码器测出偏振片转过的角度P。理论和实验都已证明，相位差A—-2声，由此可求出测量反射镜不包含非线性的实际位移。本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点
本发明在不改变干涉仪结构的前提下，较好地解决了非线性误差问题，具有方法简单，测量精度高的优点。
图I是本发明的结构示意图。图2是本发明的光线分向量图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作详细说明
实施例一
参见图1，本可消除非线性的外差激光干涉仪，包括双频激光器I、非偏振分光镜2、偏振分光镜5、三个1/4波片6、8和10、两个角反射镜7和9、两个偏振片3和11、两个光电探测器4和14、相位卡15、工控机16、驱动器17、直流伺服电机12和编码器13，其特征在于所述激光器I、非偏振分光镜2和偏振分光镜5以及1/4波片8和角反射镜9依次成一直线水平方向排列；角反射镜7、1/4波片6、偏振分光镜5以及1/4波片10、直流伺服电机驱动的偏振片11和光电探测器14依次成一直线垂直方向排列；非偏振分光镜2、偏振片3和光电探测器4依次成一直线垂直方向排列；与直流伺服电机12连接的编码器13的输出和两个光电探测器4与14经相位卡15的输出连接到工控机16，工控机16的输出经驱动器17连接直流伺服电机12 ;激光器I发出的光经非偏振分光镜2分光后,反射光经偏振片3到达光电探测器4形成参考信号Jk ;透射光经过偏振分光镜5被分成水平和垂直两个方向(干涉仪的两个光臂)，这两个方向的光束分别通过两个1/4波片6和8、分别经固定的角反射镜7和可动的角反射9反射又在偏振光分光镜5中汇合，然后穿过偏振片11到达光电探测器14形成测量信号Jm ;随着角反射镜9位置的变化使得两干涉臂光程差变化AZ时，由相位卡15测得的相位差信号A 0与光程差AZ存在非线性关系，工控机16根据采集到的相位差信号控制直流伺服电机12使偏振片11按设定方向旋转，直到相位差数值为零，这时由编码器13测出偏振片11转过的角度，由此可得出测量反射镜9不包含非线性的实际位移。实施例二
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下
所述的偏振片11是安装在伺服电机12的轴上，并随电机一起转动，伺服电机的转动由程序控制；所述的伺服电机为空心轴、直流额定电压为5V的电机。实施例三
如图I所示，本可消除非线性的外差激光干涉仪包括双频激光器I、非偏振分光镜2、偏振分光镜5、1/4波片6、8和10、角反射镜7和9、偏振片3和11、光电探测器4和14、相位卡15、工控机16、驱动器17、直流伺服电机12和编码器13，其中，电机12是空心轴，偏振片11安装在其上。激光器I发出的光经非偏振分光镜2分成透射光和反射光。反射光经偏振片3到达光电探测器4形成参考信号/K ;透过非偏振分光镜2的光进入偏振分光镜5被分成两个方向的光，
两束光沿不同路径分别穿过1/4波片6和8经角反射镜7和9反射后返回，再次经过偏振分光镜5形成干涉光，干涉光经1/4波片10和偏振片11到达电探测器14形成测量信号h。假设被偏振分光镜5分成的两束光是相互正交的,分别为X方向和Y方向。在理想情况下，激光器的两线偏振光与X，Y方向一致，那么频率完全分离，随着干涉仪测量镜9位置的变化使得两干涉臂光程差变化AZ时，测量信号Jm的相位差为A0。那么，参考信号Ze和测量信号/ 可表示为
权利要求
1.一种可消除非线性的外差激光干涉仪，包括一个双频激光器(I)、一个非偏振分光镜(2)、一个偏振分光镜(5)、三个1/4波片a、b、c (6、8、10)、两个角反射镜a、b (7、9)、两个偏振片a、b (3、11)、两个光电探测器a、b (4、14)、一个相位卡(15)、一个工控机(16)、一个驱动器(17)、一个直流伺服电机(12)和一个编码器(13)，其特征在于所述激光器(I)、非偏振分光镜⑵和偏振分光镜(5)以及1/4波片b⑶和角反射镜b (9)依次成一直线水平方向排列；角反射镜a (7)、1/4波片a (6)、偏振分光镜(5)以及1/4波片c (10)、直流伺服电机驱动的偏振片b (11)和光电探测器b (14)依次成一直线垂直方向排列；非偏振分光镜(2)、偏振片a (3)和光电探测器a (4)依次成一直线垂直方向排列；与直流伺服电机(12)连接的编码器(13)的输出和两个光电探测器a、b (4,14)经相位卡(15)的输出连接到工控机(16)，工控机(16)的输出经驱动器(17)连接直流伺服电机(12);激光器(I)发出的光经非偏振分光镜(2)分光后，反射光经偏振片a(3)到达光电探测器a (4)形成参考信号/R ;透射光经过偏振分光镜(5)被分成水平和垂直两个方向，这两个方向的光束分别通过两个1/4波片a、b (6、8)、分别经固定的角反射镜a (7)和可动的角反射b (9)反射又在偏振光分光镜(5)中汇合，然后穿过偏振片b (11)到达光电探测器b (14)形成测量信号/M;随着角反射镜b (9)位置的变化使得两干涉臂光程差变化AZ时，由相位卡(15)测得的相位差信号△ 0与光程差AZ存在非线性关系，工控机(16)根据采集到的相位差信号控制直流伺服电机(12)使偏振片b (11)按设定方向旋转，直到相位差数值为零，这时由编码器(13)测出偏振片b (11)转过的角度，由此可得出测量反射镜b (9)不包含非线性的实际位移。
2.如权利要求I所述的可消除非线性的外差激光干涉仪，其特征在于所述的偏振片b(II)是安装在伺服电机(12)的轴上，并随电机一起转动，伺服电机的转动由程序控制。
3.如权利要求I所述的可消除非线性的外差激光干涉仪，其特征在于所述的伺服电机为空心轴、直流额定电压为5V的电机。
全文摘要
本发明涉及一种可消除非线性的外差激光干涉仪。它包括双频激光器、非偏振分光镜、偏振分光镜、三个1/4波片、两个角反射镜、两个偏振片、两个光电探测器、相位卡、工控机、驱动器、直流伺服电机和编码器。当测量反射镜位置的变化使得两干涉臂光程差变化ΔL时，由相位卡测得的相位差信号Δφ与光程差ΔL存在非线性关系。工控机根据采集到的相位差信号控制直流伺服电机使可转动的偏振片按一定方向旋转，直到相位差数值数显示为零，电机停止转动。这时由编码器测出偏振片转过的角度，由此可得出测量反射镜不包含非线性的实际位移。本发明可用于纳米级位移的测量。
文档编号G01B9/02GK102768011SQ201210243878
公开日2012年11月7日 申请日期2012年7月16日 优先权日2012年7月16日
发明者任晓, 冯旭, 李斌, 王智渊, 钟立源 申请人:上海大学