外差激光干涉仪非线性的细分和消除
光电测试技术激光外差干涉
2019/1/22
2）双纵模He-Ne激光器——频差约600MHz（较大） 3）光学机械移频
当干涉仪中的参考镜以匀速v 沿光轴方向移动时，则垂直入射的
反射光将产生的频移为 2v / 。
如果圆偏振光通过一个旋转中的半波片，则透射光将产生两倍于
半波片旋转频率f 的频移，即 v 2 f 。
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多普勒效应的应用
美国霍普金斯大学利用多普勒效应 对苏联第一颗人造卫星进行了跟踪 试验，科学家发现，当卫星在近地 点时信号频率就增加，远地点时信 号频率就降低。因为卫星轨道是已 知的，所以接收卫星信号的接收机 不论处于何方，它的位置都能被测 定。
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光波的多普勒效应
光外差探测系统
光外差探测在激光通信、雷达、测长、测速、测振、光谱学等方面
都很有用。其探测原理与微波及无线电外差探测原理相似。光外差探 测与光直接探测比较，其测量精度要高7~8个数量级。 激光受大气湍流效应影响严重，破坏了激光的相干性，因而目前远距 离外差探测在大气中应用受到限制，但在外层空间特别是卫星之间通 信联系已达到实用阶段。
As AL cos[L s t s L ] As AL cosL s t L s
: 量子效率；h :光子能量； L :s 差频。 S q / h；
式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于1／2。 第三项（和频项）是余弦函数的平均值为零。而第四项（差频项）相对光频 而言，频率要低得多。 L s / 2 当差频 L s / 2 低于光探测器的截止频率时，光探测器就有频率为 的光电流输出。
外差激光干涉仪的测量方法
一、举例描述外差激光干涉仪的测量方法。
光外差干涉是指两只相干光束的光波频率产生一个小的频率差，引起干涉场中干涉条纹的不断扫描，经光电探测器将干涉场中的光信号转换为电信号，由电路和计算机检出干涉场的相位差。
特点：克服单频干涉仪的漂移问题；细分变得容易； 提高了抗干扰性能。
原理：在干涉场中，放入两个探测器，一个放在基准点(x0, y0)处，称之为基准探测器，其输出基准信号i(x0, y0, t)，另一个放在干涉场某探测点(xi, yi)处，称之为扫描探测器，输出信号为i(xi, yi, t) 。
将两信号相比，测出信号的过零时间差Δt ，便可知道二者的光学位相差)/1/(π2),(),(00v t t y x φy x φ∆∆=∆∆=-ω由控制系统控制扫描探测器对整个干涉场扫描，就可以测出干涉场各点的位相差。
设测试光路和参考光路的光波频率分别为ω和ω+Δω，则干涉场的瞬时光强为[]{}[][]{}[][])(cos )()2(cos )(2cos 121)(2cos 121),(cos )cos(),,(222x,y t-φE E x,y φt E E x,y φt E t E y x φt E t E t y x I t r t r t r t r ωωωωωωωωω∆++∆+++++∆++=++∆+=由于光电探测器的频率响应范围远远低于光频ω，它不能跟随光频变化，所以式中含有2ω的交变项对探测器的输出响应无贡献。
)],(cos[2/2/),,(22y x φt E E E E t y x i t r t r -∆++∝ω干涉场中某点（x ，y ）处光强以低频Δω随时间呈余弦变化 （1）激光外差干涉测长数据处理双频激光器1/4波片准直系统可动角隅棱镜检偏器v探测器前置放大器f2f1f1±Δff2f1f2f1±Δf图4-33双频激光器外差干涉测长原理图偏振分光镜f2－f1f2－（f1±Δf ）⎰⎰⎰⎰∆±=±=∆tttt t f NL L t v t vt f 000d 222d 2d 2d λλλλλ所以＝＝＝由于（2）激光外差干涉测量微振动方解石棱镜及1/4波片的作用是使测量光束的光路既作发射光路，又作接收光路。
波片和偏振片对外差干涉仪非线性的影响
波片和偏振片对外差干涉仪非线性的影响任晓;侯文玫【摘要】为了减小外差干涉仪的非线性误差,必须明确波片和偏振片对非线性误差的影响机理.通过理论分析和试验发现,波片和偏振片位于偏振分光镜之前和之后对非线性的影响是不同的.如果把有误差的波片和偏振片放置在偏振分光镜前面,其误差将100％地引入非线性.如果将相同的这些光学元件安装在干涉仪里面,有可能影响非线性,但通常在高阶误差范围内.%To reduce the nonlinearity error of heterodyne interferometer, the influence mechanics of wave plate and polarizer upon nonlinearity error must be determined. Theoretical and experimental analysis showed that different influence on non-linearity exits when wave plate and polarizer were placed in the front of or behind the polarized beam splitter. If the error wave plate and polarizer were placed in front of the polarization beam splitter,non-linearity was introduced definitely due to error. If the same optical components are installed inside the interferometer,it is possible to affect the nonlinearity, but usually with a factor in an order of about 10 -2.【期刊名称】《计量学报》【年(卷),期】2011(032)006【总页数】5页(P490-494)【关键词】计量学;外差干涉仪;偏振分光镜;波片;偏振片;非线性【作者】任晓;侯文玫【作者单位】上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;苏州大学,江苏苏州215006;上海理工大学光电学院,上海200093【正文语种】中文【中图分类】TB9211 引言外差干涉仪在精密机械制造以及各种超精密测量中广泛应用。
双频激光干涉仪系统线性测量误差主要来源及减小误差的方法分析_徐建
表2
角度
( 弧秒) 1 2 5 10 20 60 120
5 01 024 01 048 01 120 01 240 01 480 11 450 21 900
10 01 048 01 097 01 240 01 480 01 970 21 900 51 800
偏置距离( mm) 50
01 24 01 48 11 20 21 40 41 80 141 50 291 00
5计量 与测试技术6 2013 年第 40 卷第 8 期
组的安装往往使激光光束方向与测量轴线存在一定的偏 置量, 导致被测轴向较小的角度误差( 如俯仰或扭摆) 就 会带来较大的阿贝误差, 如图 2 所示。阿贝误差参考数 值如表 2 所示( 单位微米) 。
激光的波长补偿是在读数清零后位移发生变化的区 段进行, 如果在读数清零前, 光学镜的位置不靠近, 这段 距离将无法得到波长补偿, 形成空气死程误差。
1 引言 双频激光干涉仪 ( 以下简称干涉仪) 利用光波干涉
原理进行线性位移测量, 由于其具有测量精度高、应用范 围广、环境适应力强、实时动态测速高等优点而广泛应用 于机床、坐标测量机、测长机等仪器设备的校准。通常情 况下, 应用双频激光干涉仪系统进行线性测量的精度可 达 ? 015 ppm, 但影响其测量精度的因素很多, 本文就如 何在日常使用中提高双频激光干涉仪系统的测量精度进 行分析研究。 2 误差来源及其影响程度 211 空气环境误差
干涉仪系统测量误差的影响因素很多, 但只要正确的 使用仪器, 合理进行误差补偿, 就能有效减小系统误差, 大大 提高测量精度, 从而达到我们使用的要求。同时, 往往误差 的影响因素是复杂多变的, 这就需要我们从大局出发, 权衡 各因素的影响程度, 以保证误差影响的最小化。
激光干涉仪的细分技术_邓上
图 4 锁相倍频电路
图 5 为典型的基于塞曼效应的双频激光干涉仪 的电路框图, 测量信号和参考信号经锁相倍频后的 频率为 N [ (f 2- f 1) + f ] 和 N ( f 2 - f 1) 的两列 脉冲, 为便于后续电路的处理, 用一高频信号将二列 脉冲同步, 使脉冲处于完全重合或者完全错开的状 态, 然后经过一个高速异或门逻辑电路实现此两列 脉冲的相减, 得到表征动镜位移的当量脉冲。这种 细分处理方法完全是由硬件完成的, 输出的当量脉 冲与实际位移之间只有硬件延迟, 所以可以在闭环 位置控制系统中作为测量元件, 实现实时控制。
图 6 相位调制细分方法
光干涉仪的细分方法还有很多, 例如在单频激
光干涉仪中, 可以用电阻链细分方法; 在基于声光频 移的双频激光干涉仪中, 可以将测量信号与频差信 号、测量信号与移相 90 的频差信号分别混频, 得到 相位差为 90 的两路信号, 然后按单频激光干涉仪的 细分方法处理; 在基于塞曼效应的双频激光干涉仪 中, 可以采用测量剩余相位的方法实现细分等, 利用 两个相互垂直偏振光相干、其干涉信号为一个旋转 的线偏振光的特点实现细分, 在国内亦有大量的研 究, 并取得很好的效果[ 4] 。
2 G E Eommargren. A new laser measurment system for precision metrology. Precision Engineering , 1987, 9( 4)
3 M Hageli, J Dual.Hetrodyne laser interferometer with phsase demodulation
该公司成立于 2002 年, 是由 沈阳中 油天 宝( 集 团) 物 资 装备有限公司、中国石油天 然气管 道局、上海 市闵行 区浦 江 镇资产经营有限公司共同投资兴建的国 内第一家 ERW 钢 管 生产 企 业。 中 油 天 宝 焊 管 生 产 线 建 成 投 产, 标 志 着 我 国 ERW 钢管制造水平和技术 已跨入了同行业世界先进行列。
激光干涉仪测量精度优化
激光干涉仪测量精度优化激光干涉仪是一种广泛应用于科学研究和工业领域的精密测量仪器。
它利用激光波的干涉现象来测量光程差，进而得出被测量物体的尺寸、形状或者表面形貌等信息。
然而，在实际的应用过程中，激光干涉仪的测量精度可能受多种因素的影响而降低。
本文将探讨如何优化激光干涉仪的测量精度，提供一些关键的技术和方法。
首先，要优化激光干涉仪的测量精度，需要注意实验环境的稳定性。
实验室的温度、湿度和气压等因素都会对激光干涉仪的测量结果产生直接或间接的影响。
因此，在进行测量前，应该确保实验室的环境参数处于稳定的状态，并进行校正和补偿。
例如，可以使用温度、湿度和压力传感器等仪器进行实时监测，并根据监测数据进行相应的修正。
其次，光路对准是影响激光干涉仪测量精度的一个重要因素。
光路的不准确对齐会导致干涉条纹的偏移或者模糊，从而使测量结果产生误差。
为了优化测量精度，应该在进行测量之前进行光路的精确调整和校准。
可以使用光学元件的移动装置来微调光路，确保激光束和参考光束相互重叠，并且干涉条纹清晰可见。
另外，需要关注激光干涉仪本身的性能参数，以提高测量精度。
首先，激光源的性能直接影响干涉仪的测量效果。
选择高质量的激光源，如激光二极管或氦氖激光器，可以提供更稳定和一致的激光束，并减少光功率的波动。
其次，使用高质量的干涉仪组件和光学元件，如分束器、反射器和光电探测器等，可以提高测量系统的灵敏度和稳定性。
此外，选择适当的测量参数，如激光功率、曝光时间和干涉条纹的采集频率等，也可以对测量精度进行优化。
此外，合理处理仪器的噪声和干扰也是优化激光干涉仪测量精度的关键。
在实际应用中，激光干涉仪的测量信号可能受到光源漂移、电磁干扰和仪器本身的噪声等因素的影响。
为了降低这些噪声和干扰对测量精度的影响，可以采取以下措施。
首先，对光源进行实时监测和校准，以确保光源的功率和频率稳定。
其次，使用滤波器和屏蔽材料来隔离电磁干扰，并将仪器放置在电磁辐射较小的环境中。
单频与双频激光干涉仪比较 激光干涉仪常见问题解决方法
单频与双频激光干涉仪比较激光干涉仪常见问题解决方法激光干涉仪，以激光波长为已知长度，利用迈克耳逊干涉系统测量位移的通用长度测量。
单频与双频激光干涉仪比较单频的激光器它的一个根本弱点就是受环境影响严重，在测试环境恶劣，测量距离较长时，这一缺点特别突出。
其原因在于它是一种直流测量系统，必定具有直流光平和电平零漂的弊端。
激光干涉仪可动反光镜移动时，光电接收器会输出信号，假如信号超过了计数器的触发电平则就会被记录下来，而假如激光束强度发生变化，就有可能使光电信号低于计数器的触发电平而使计数器停止计数，使激光器强度或干涉信号强度变化的紧要原因是空气湍流，机床油雾，切削屑对光束的影响，结果光束发生偏移或波面扭曲。
这种无规定的变化较难通过触发电平的自动调整来补偿，因而限制了单频干涉仪的应用范围，只有设法用交流测量系统代替直流测量系统才能从根本上克服单频激光干涉仪的这一弱点。
而双频激光干涉仪正好克服了这一弱点，它是在单频激光干涉仪的基础上进展的一种外差式干涉仪。
和单频激光干涉仪一样，双频激光干涉仪也是一种以波长作为标准对被测长度进行度量的仪器，所不同者，一方面是当可动棱镜不动时，前者的干涉信号是介于亮和暗之间的某个直流光平，而后者的干涉信号是一个频率约为1.5MHz的交流信号；另一方面，当可动棱镜移动时，前者的干涉信号是在亮和暗之间缓慢变化的信号，而后者的干涉信号是使原有的交流信号频率加添或削减了△f，结果仍旧是一个交流信号。
因而对于双频激光干涉仪来说，可用放大倍数较大的交流放大器对干涉信号进行放大，这样，即使光强衰减90%，仍旧可以得到合适的电信号。
由于这一特点，双频激光干涉仪可以在恒温，恒湿，防震的计量室内检定量块，量杆，刻尺和坐标测量机等，也可以在一般车间内为大型机床的刻度进行标定，既可以对几十米的大量程进行精密测量，也可以对手表零件等微小运动进行精密测量，既可以对几何量如长度、角度．直线度、平行度、平面度、垂直度等进行测量，也可以用于特别场合，诸如半导体光刻技术的微定位和计算机存储器上记录槽间距的测量等等。
外差激光干涉仪原理
外差激光干涉仪原理
外差激光干涉仪是一种使用激光干涉原理测量光程差的仪器。
其原理基于两束相干激光的干涉。
外差激光干涉仪通常由两束相干激光器组成，分别称为信号光和参考光。
这两束激光光束经过分束器分成两束光线，其中一束经过样品或待测物体，另一束光则作为参考光直接到达探测器。
这两束光线接着通过合束器重新合成成一束光线，以产生干涉图样。
干涉图样由于光路差的变化而引起的相位差，在探测器上体现为光强的变化。
探测器接收到两束光的光强变化信号后会将其转化成电信号。
通过测量电信号的幅度和相位，可以计算出光程差，从而实现对样品或待测物体的测量。
外差激光干涉仪的原理是利用激光的相干性，通过测量相位差来确定光程差。
相对于传统的干涉仪，外差激光干涉仪的优点在于其抗振动和抗调制干扰的能力更强，测量精度更高。
同时，外差激光干涉仪还可以利用调制技术进行相位解调，以提高测量的灵敏度和稳定性。
激光干涉仪检测与调整过程讲解
激光干涉仪检测与调整过程讲解激光干涉仪是一种常用的光学测量工具，可以用于测量非常小的距离和角度变化。
它通常由两个关键组件组成：稳定的激光源和一个高质量的干涉仪。
在本文中，我们将介绍激光干涉仪的工作原理、使用方法和调整过程。
激光干涉仪的工作原理激光干涉仪的设计基于激光干涉原理，该原理是将激光束分为两个光束，分别通过被测物体的两个侧面，然后将两束光重新合成。
当光束互相干涉时，它们会产生间隔的明暗条纹，这些条纹的间隔可以被用于测量小的长度变化。
在实践中，激光干涉仪使用的激光源通常是由半导体光源提供的，这种光源在可见光范围内有非常狭窄的频谱分布。
可以使用反射镜和分束器将光分为两束。
在光路上分别安装一个光栅使得干涉仪可以使用逆反射干涉，提高测量的精度。
使用激光干涉仪进行测量在进行测量时，需将两束光线分别传输给要被测量的物体的两个侧面。
当两束光线重新合并时，它们会形成明暗相间的条纹图案，这是干涉产生的结果。
通过测量条纹的间隔，我们可以轻松地计算出被测物体的位移变化。
激光干涉仪可用于测量非常小的长度、位移和角度变化，其度量精度可以达到亚微米级别。
此外，通过使用高质量的干涉仪，我们可以将其用于高精密表面形貌测量。
调整激光干涉仪如果干涉仪的调试不当，会导致干涉条纹模糊或者严重扭曲的情况，降低干涉仪的度量精度。
因此，在使用激光干涉仪进行测量之前，必须对其进行调整。
以下是调整激光干涉仪的步骤：1.调整激光源：确保激光源光束的宽度和强度足够稳定。
可以将激光传输到墙上的标定留置板来检查光束的准直性和焦点。
2.双色干涉圈合并：在数字式激光干涉仪中，需要将蓝色和红色光线重合在一个干涉圈内。
使用向一侧旋转/切向板识别同步点，其中图案由蓝色和红色光线表示。
提示：每次转动方向8分钟。
3.气象因素：排除湿度、温度固定输出、地面震动等因素的影响。
工作时确保放在一个平稳的场所，切不可震动。
4.探头选择：一般选其低灵敏度的测头。
不完全平整的表面则需要高灵敏度的探头。
激光干涉仪使用方法
用激光干涉仪系统进行精确的线性测量—最佳操作及实践经验1 简介本文描述的最佳操作步骤及实践经验主要针对使用激光干涉仪校准机床如车床、铣床以及坐标测量机的线性精度。
但是，文中描述的一般原则适用于所有情况。
与激光测量方法相关的其它项目，如角度、平面度、直线度和平行度测量不包括在内，用于实现0.1微米即0.1 ppm以下的短距离精度测量的特殊方法（如真空操作）也不包括在内。
微米是极小的距离测量单位。
（1微米比一根头发的1/25还细。
由于太细，所以肉眼无法看到，接近于传统光学显微镜的极限值）。
可实现微米级及更高分辨率的数显表的广泛使用，为用户提供了令人满意的测量精度。
尽管测量值在小数点后有很多位数，但并不表明都很精确。
（在许多情况下精度比显示的分辨率低10-100倍）。
实现1微米的测量分辨率很容易，但要得到1微米的测量精度需要特别注意一些细节。
本文描述了可用于提高激光干涉仪测量精度的方法。
2 光学镜组的位置光学镜的安放应保证其间距变化能够精确地反映待校准机器部件的线性运动，并且不受其它误差的影响。
方法如下：2.1 使Abbe（阿贝）偏置误差降至最低激光测量光束应当与需要校准的准线重合（或尽量靠近）。
例如，要校准车床Z轴的线性定位精度，应当对测量激光光束进行准直，使之靠近主轴中心线。
（这样可以极大降低机床俯仰 (pitch) 或扭摆 (yaw) 误差对线性精度校准数据的影响。
2.2 将光学镜组固定牢靠要尽量减小振动影响并提高测量稳定性，光学镜组应牢牢固定所需的测量点上。
安装支柱应尽可能短，所有其它紧固件的横截面都应尽量牢固。
磁力表座应直接夹到机床铸件上。
避免将其夹到横截面较薄的机器防护罩或外盖上。
确保紧固件表面平坦并没有油污和灰尘。
2.3 将光学镜组直接固定在相关的点上材料膨胀补偿通常只应用在与测量激光距离等长的材料路径长度上。
如果测量回路还包括附加的结构，该“材料死程”的任何热膨胀或收缩或因承载而发生的偏斜都将导致测量误差。
浅谈双频激光干涉测量系统中的常见误差
浅谈双频激光干涉测量系统中的常见误差激光干涉测量以其测量范围大，高分辨率以及高精度测量等特点普及到很多高精度测量的行业中。
随着测量精度和分辨率的提高，测量过程中的任何误差都将对最终的测量结果造成一定程度上的影响。
通过介绍了激光干涉测量中一些常见的误差，并通过对这些误差的分析，来降低或修正误差，使我们的测量结果能更精确可靠。
标签：高精密测量；激光干涉测量；阿贝误差；余弦误差0 引言干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一门技术，而激光的原理在1916年被爱因斯坦发现后，于1960年被首次成功制造，成为20世纪以来人类最重大的发明之一。
随着实验条件的提升，电子与计算机技术日新月异的发展，使得干涉测量技术得到迅猛发展。
在现代超精密加工过程中，普遍采用纳米级分辨率的双频激光干涉仪进行高精度位移测量。
但越高精密的测量，需要我们考虑的误差因素也就更多。
1 激光干涉仪原理激光干涉仪产生的干涉条纹变化频率与测量反射镜的运动速度有关，整个过程由光强转化出的直流电信号的频率变化也是从零开始变化，这个直流电信号只能用直流放大器来放大处理。
直流测量系统就会有直流光平和电平零飘的弊端，受到外界环境所约束，若激光束强度发生变化时，干涉条纹的条纹的平均光强的变化也会很大，从而导致测量的偏差，而这种无规则的变化又难以通过自动调整来补偿。
因此单频的激光干涉仪抗的缺点就是其抗干扰能力差，只能在恒温防震的条件下使用。
为了克服这一缺点，可以在干涉仪信号中引入一定频率的载波，使被测信号通过载波来传递，就能够采用交流放大，避免外界干扰造成的直流电平漂移。
利用这种技术设计的干涉仪称为外差式激光干涉仪。
现在普遍采用的双频激光干涉仪就是在单频激光干涉仪基础上发展的一种外差式激光干涉仪。
2 激光干涉测量系统的误差分析一般来说影响测量结果的误差主要有以下几点：激光干涉仪自身固有的系统误差；安装过程和测量过程中产生的阿贝误差和余弦误差；测量环境的变化而导致的环境误差。
激光干涉仪的非线性误差校准方法研究
激光干涉仪的非线性误差校准方法研究激光干涉仪是一种经常被使用于科学实验室和工业制造中的精密测量仪器。
它利用激光干涉现象来测量物体的长度、形状和表面质量。
然而，由于激光干涉仪本身的结构和环境因素的干扰，它可能存在一些非线性误差。
本文将探讨激光干涉仪的非线性误差校准方法的研究。
激光干涉仪的基本原理是通过分束器将一束激光分成两束，然后沿不同的光路传播，并在接收端再次干涉。
当两束光相遇时，干涉现象将生成干涉条纹。
通过测量干涉条纹的形状和变化，可以准确测量出物体的长度或形状。
然而，在实际应用中，激光干涉仪可能面临着非线性误差的挑战。
这些非线性误差通常由以下几个因素引起：非线性光程差、非线性灵敏度、非线性信号处理等。
首先，非线性光程差是激光干涉仪最常见的非线性误差之一。
正常情况下，光程差应当与物体的长度成正比。
然而，由于光程差与物体表面的形状存在一定的关系，因此在某些情况下，光程差可能显示出非线性的特征。
解决这一问题的方法之一是通过使用非线性光程差模型对数据进行修正，以获得更加准确的测量结果。
其次，非线性灵敏度也是激光干涉仪的一种常见误差来源。
在一些特定的测量条件下，激光干涉仪的灵敏度可能随着物体长度的变化而发生变化。
这种非线性灵敏度可能会导致测量结果的偏差。
为了解决这个问题，研究人员提出了一些非线性灵敏度补偿的方法，例如采用补偿电路、人工神经网络等。
最后，非线性信号处理也可能引起激光干涉仪的非线性误差。
在信号处理过程中，一些非线性方法可能会导致误差的积累。
为了解决这个问题，可以尝试使用更加精确的数学模型来处理信号，以减小误差的影响。
除了上述提到的方法，还有其他一些校准方法可以用于解决激光干涉仪的非线性误差。
例如，可以通过建立精确的数学模型来描述激光干涉仪的非线性特性，并利用这个模型来对测量结果进行修正。
此外，温度的变化也可能引起激光干涉仪的非线性误差，因此可以通过控制温度来减小误差的影响。
总结起来，激光干涉仪的非线性误差校准是一个重要的研究方向。
外差干涉仪光路调节方法及对拍频的理解
外差干涉仪光路调节方法及对拍频的理解由于具有波长稳定性高，光束发散角小和光的相干性好等特点，激光在很多领域被广泛的应用。
在测量领域里，激光干涉仪占据重要位置。
单频激光干涉仪就能使测量精度达到光波长（亚微米），而现在广泛研究的外差激光干涉仪（配合相位计）能将测量精度提高到纳米甚至亚纳米。
外差激光干涉仪是在单频激光干涉仪的基础上发展出来的，它是通过检测测量信号和参考信号的相位差来进行测量，能够通过简单的相位细分而达到纳米级分辨率，且它的抗环境干扰能力比检测振幅的单频干涉仪强。
如今，外差激光干涉仪被广泛的应用于各种精密检测领域，它既可以对几十米的大量程进行精密测量，也可以对微小运动[1-2]进行精密测量，既可以对几何量如长度、角度、直线度、平行度、平面度、垂直度等进行测量[3-5]，也可以用于特殊场合，诸如半导体光刻技术的微定位和计算机存储器上记录槽间距的测量等。
外差干涉仪中，角锥棱镜被广泛的用做转向元件，因为角锥棱镜的反射光和入射光是相互平行的，因此只要不同频率的两束光在接收屏上是一个重合的圆斑，就可以保证光路调整正确。
但是更多的光路使用平面镜反射，调整光路时很难保证两束光完全重合，更多情况是两束光在接收器表面以一定角度相交。
因此本文提出了一种通过观察单频干涉仪条纹间距的方法来辅助外差干涉仪进行光路调整。
1 原理如图1，两束光波W1和W2都位于XOZ平面内，W1和W2与Z轴的夹角都为α，探测器的受光面位于XOY平面内，长为a，宽为b。
设a，b各平行于Y，X轴，且各自相对于O点对称分布，两光波在Y轴和Z轴（调光路时）方向上没有相位的变化，只在X轴方向上会产生相位变化，假设W2的表达式为由式（5）可知，最后探测器得到的电流是一个直流加一个交流，交流电的幅值是sinc（X）决定的，该函数图形如图2所示。
光电探测器得到的电流很小，是不能直接进行数据处理的，一般会经过放大，滤波后转化为电压信号等处理。
图3中，假设中间的余弦为探测器得到的电流经过放大处理后得到的电压，上下两条虚线为数据处理芯片的判定电压。
外差激光干涉仪非线性的细分和消除
侯文玫等 :
光干涉仪中可有几个 nm , 特别好的可以到一两个 nm ,在一般的激光干涉仪中 ,10 个至 20 个 nm 左右 是常见的 ,甚至超过 20 个 nm 也是可能的 。这个指 标就限制了激光干涉议的有效分辨率 。如何找到最 有效的方法来解决这一问题是当今的重要研究课题 之一 。
( 4) ( 5)
这是两个任意椭圆偏振光的公式 , 它们适用于 ε 和σ 为初始相位 所有理想和非理想的入射光。 差 , a0 、 b0 、 c0 和 d0 为初始光矢量幅值 。如果 b0 =
0 , d0 = 0 ,那么 E1 、 E2 是两束正交的线偏振光 , 偏振
π, 方向就在 x2y 轴上 ; 如果 b0 ≠ 0 , d0 ≠ 0 , ε= 0 、 ± π ,则 E1 , E2 是非正交的线偏振光 ; 当 b0 Π 且 σ= 0 、 ±
( 为简化公式 ,这里引用了平均波长 ,实际中 ,当拍频
α 这里 , a 、 b、 c、 d 和α a 、 c 是在光通过各个光学元件 的传输过程中 ,由于能量损耗和相位变化由 a0 、 b0 、 ε、 σ 和α重新组合的光矢量幅值和附加相位 c0 、 d0 、
频率很高时 ,应该采用通过测量臂的光波长 。另外 ,
摘要 : 通过理论推导得到一个消除外差激光干涉仪非线性的理论 ,只要改变干涉仪的结构 ,也就是增加光程倍 数 ,就可以减小激光干涉仪的非线性误差 。实验证明 , 这个方法可以有效地减小双频激光干涉仪的各种非线性误 差 ,不论这个误差是一阶的还是二阶的 ,也不论是什么原因引起的 。它不仅适应于科学实验研究 ,而且也适应于工 业精密测量应用 ,对纳米测试技术的发展具有实际意义 。 关键词 : 计量学 ; 外差干涉仪 ; 非线性 ; 混频 中图分类号 : TB921 文献标识码 : A 文章编号 : 100021158 (2007) 0320210206
通过调相式载波消除外差干涉仪的非线性
通过调相式载波消除外差干涉仪的非线性Serge Dubovitsky, Oliver P. Lay, and David J. SeidelJet Propulsion Laboratory, M/S 301-451, 4800 Oak Grove Drive, Pasadena, California 91109Received October 8, 2001Accuracy in measuring displacement in optical interferometers is limited by cyclic errors introduced by variousleakage paths within the system. Existing techniques to reduce this nonlinearity do not work when there islarge optical loss in the target path, such as for long-range measurements. We describe a new approach toreducing nonlinearity that overcomes these limitations. Based on phase modulation of the laser light, andrequiring minimal additional components, experiments have demonstrated rejection of the effects of leakagein the presence of large optical loss. © 2002 Optical Society of America光学干涉仪测量位移的精确度受限于循环误差所引入的各种系统内泄漏路径（leakage paths）。
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计
量
学
报
2007 年 7 月
α是偏振分光镜可能存在的分光正交误差。 移。 ( 7 ) ) 导致拍频 干涉光路中的混频 ( 如公式 ( 6 ) 、 干涉信号出现一个附加的相位误差 γ , 使测到的光 φ 不成线性关 学相位移 ΔΦ 和理想光学相位移 Δ 系 ,也就是说 ,测到的光学相位移ΔΦ 和实际位移不 成线性关系 , 从而使测量光程差 ΔL 附加一个非线 性误差 : λ λ ΔL = ΔΦ = (Δ φ + γ) π π 2 2 其中非线性误差 γ = arctan φ+θ b sin (Δ a) + Δ φ+θ a + b cos ( a)
者宽度 、 深度等等 , 都只有几μ m , 或者小于 100 nm ,
1 引 言
外差激光干涉仪能以简单的相位比较测量达到 很高的测量分辨率 , 而且结构简单 、 抗干扰能力强 , 同时检测方便 ,所以在纳米测量中有着独特的优势 。 从理论上说 ,电信号的相位细分能力是无限的 ,所以 光波细分在理论上也可以达到无限 。如果使用高分 辨率的电子相位测量 ,精确度可以高于 0. 1° ,那么就 可以很容易地得到 0. 1 nm 左右的分辨率 。进入 20 世纪 90 年代以后 ,半导体集成电路的不断更新换代 和微机电系统 ( MEMS) 的迅速发展成为对超精细测 量技术的挑战和促进 , 要求被检测的形状 、 长度 , 或
( 为简化公式 ,这里引用了平均波长 ,实际中 ,当拍频
α 这里 , a 、 b、 c、 d 和α a 、 c 是在光通过各个光学元件 的传输过程中 ,由于能量损耗和相位变化由 a0 、 b0 、 ε、 σ 和α重新组合的光矢量幅值和附加相位 c0 、 d0 、
频率很高时 ,应该采用通过测量臂的光波长 。另外 ,
( 7) ( 6)
理想情况下 , 即当每个干涉臂中只有一个频率 分量时 , πf 1 t + φ E1 x = a0 sin ( 2 01 + φ 1) πf 2 t + φ02 + φ E2 y = c0 sin ( 2 2 是初始光矢量幅值 , φ 01 和 φ 02 为两束 光的初始相位差 ,φ 1 和φ 2 为两束光通过两干涉臂 的光路 L 1 和 L 2 的相位移 , t 是时间 ,λ 是光波长
a0 = d0 Π c0 ,ε= 0 ,α =π; 或者 ε =π ,σ = 0 , 则它们是
图1 外差激光干涉仪测量原理
DR , DM — 光学探测器 ; I R — 参考信号 ; IM — 测量信号
两束正交线偏振光 ,但是偏振轴不在 x2y 轴上 ; 如果 π ,且 σ≠ π ,则 E1 、 b0 ≠ 0 , d0 ≠ 0 , ε≠ 0、 ± 0、 ± E2 是 两束任意椭圆偏振光 。 这样 ,经过偏振分光镜分光后 ,在干涉仪的两个 干涉臂中的偏振光分量分布为 πf 1 t + φ L 1 : a sin ( 2 01 + α a + φ 1) + πf 2 t + φ d sin ( 2 02 + σ - α c + φ 1) πf 1 t + φ L 2 : b sin ( 2 01 - ε + φ 2) + πf 2 t + φ c sin (2 02 + φ 2)
侯文玫等 : 外差激光干涉仪非线性的细分和消除
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光干涉仪中可有几个 nm , 特别好的可以到一两个 nm ,在一般的激光干涉仪中 ,10 个至 20 个 nm 左右 是常见的 ,甚至超过 20 个 nm 也是可能的 。这个指 标就限制了激光干涉议的有效分辨率 。如何找到最 有效的方法来解决这一问题是当今的重要研究课题 之一 。
收稿日期 : 2006209205 ; 修回日期 : 2006211227
甚至只有几十个 、 几个 nm 。对其他物理量的精密测 量需求和人们对微观结构的探索也都对位移测量精 度的要求提到了一个 nm 以下 , 特别是在用隧道显 微镜 、 原子力显微镜等测量原子晶格或者生物细胞 时 ,要求位移扫描定位精度在亚纳米量级 ,这些不断 升级的位移测量精度要求使激光干涉仪成为更加广 泛应用的重要工具 。 然而 ,由于光学系统中不可避免的缺陷 ,导致被 测信号出现一个附加的周期相位误差 , 使测到的相 位位移和被测长度不成线性关系 , 这个误差随着被 测长度的变化以光波波长为周期变化 , 它存在于所 有的激光干涉仪 , 只是程度不同而已 。在优质的激
基金项目 : 国家自然科学基金 (50675141) ; 上海市重点学科建设项目 ( T0501) 作者简介 : 侯文玫 (1950 - ) ,女 ,山东青岛人 ,上海理工大学教授 , 博士生导师 , 主要从事激光干涉仪和纳米测量的研究 。houwenmei @vip .
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第 28 卷 第3期
( 4) ( 5)
这是两个任意椭圆偏振光的公式 , 它们适用于 ε 和σ 为初始相位 所有理想和非理想的入射光。 差 , a0 、 b0 、 c0 和 d0 为初始光矢量幅值 。如果 b0 =
0 , d0 = 0 ,那么 E1 、 E2 是两束正交的线偏振光 , 偏振
π, 方向就在 x2y 轴上 ; 如果 b0 ≠ 0 , d0 ≠ 0 , ε= 0 、 ± π ,则 E1 , E2 是非正交的线偏振光 ; 当 b0 Π 且 σ= 0 、 ±
第 28 卷 第 3 期 2007 年 7 月
计 量 学 报 ACTA METROLOGICA SINICA
Vol.
28 , № 3 July 2007
外差激光干涉仪非线性的细分和消除
侯文玫 , 王 俊
( 上海理工大学 光电学院 , 上海 200093)
摘要 : 通过理论推导得到一个消除外差激光干涉仪非线性的理论 ,只要改变干涉仪的结构 ,也就是增加光程倍 数 ,就可以减小激光干涉仪的非线性误差 。实验证明 , 这个方法可以有效地减小双频激光干涉仪的各种非线性误 差 ,不论这个误差是一阶的还是二阶的 ,也不论是什么原因引起的 。它不仅适应于科学实验研究 ,而且也适应于工 业精密测量应用 ,对纳米测试技术的发展具有实际意义 。 关键词 : 计量学 ; 外差干涉仪 ; 非线性 ; 混频 中图分类号 : TB921 文献标识码 : A 文章编号 : 100021158 (2007) 0320210206
这里省略了空气折射率的参数 , 因为它的影响在本 文可以计入光程差中) 。测量的相位差变化量 ΔΦ 正比于两干涉臂光程差变化量ΔL : π ΔΦ = 2 ΔL ( 3) λ ΔL = L 2 - L 1 ,ΔΦ = (φ 其中 , 02 - φ 01 ) + (φ 2 - φ 1) 。 在理想状态下 ,假设不存在线性误差 ,并且假设两束 光的初始相位差恒定 , 其常数可以忽略不计 , 并令 Δ φ= φ ΔΦ = φ2 - φ1 =Δ φ。 2 - φ 1 ,我们可以得到 : 当假设参考干涉臂光路长度 L 1 恒定时 ,则对于 Δl , Δl 为测量镜 图 1 的干涉仪 ,有ΔL = L 2 - L 1 = 2 π 的位移长度 , 如果我们利用一个分辨率为 2 Π 3600 的相位计 , 就可以获得约 0. 1 nm 的位移测量分辨 率。 但是 ,因为各种各样的原因 ,总会在一个或两个 干涉臂中存在混频分量 。这样 , 进入干涉仪的干涉 臂中的激光就会不像理论上假设的那样只是单纯的 具有单一频率的激光 , 而是也可能会混进另一束频 率不同的激光 ,使得两束不同频率的激光携带的光 学相位信息发生混乱 ,这时两束入射光就成为 : πf 1 t + φ01 ) E1 x = a0 sin ( 2 πf 1 t + φ ) E1 y = b0 sin ( 2 01 - ε πf 2 t + φ02 + σ ) E2 x = d0 sin ( 2 πf 2 t + φ E2 y = c0 sin ( 2 02 )
( 9) ( 8)
方法来减小外差干涉仪的非线性 。 很显然 ,如果能让 γ = 0 , 就可以消除激光干涉 仪的非线性误差 。然而事实证明 , 企图把激光器和 干涉仪做得理想完美 ,使得 b = 0 、 d = 0 的设想通常 是不现实的 ,所以 ,激光干涉仪非线性的存在在大部 分情况下是个既定事实 ,必须设法来消除这个误差 。 如果我们能将 γ 的大小与激光干涉仪的构造 联系起来 ,就可以找到减小干涉仪非线性的可能性 。 通常 ,一个周期误差的幅值是恒定的 ,对于激光干涉 仪的非线性误差来说 , 从光学相位测量的角度来考 虑也是对的 。但是我们利用激光干涉仪测量相位的 目的一般都是为了长度计量 ,从这一点出发 ,利用干 涉原理就推出了意想不到的理论结果。 首先 ,根据光程差定理 λ ΔL = ΔΦ π 2 式中 :ΔΦ 是测量到的干涉光相位差 ,ΔL 是由此得 Δl m , N 是光程倍 到的干涉光程差 , 并且 ,ΔL = N ・ Δl m 是测量的位移长度 ( 如前所述 ,为简洁起见 , 数, 这里省略了空气折射率的参数) 。当不考虑其它误 差时 ,由于干涉仪非线性误差的存在 ,测量到的干涉 φ 与非线性相 相位差ΔΦ 等于理论的干涉相位差 Δ φ + γ。这样 , 我们就得到一个 位误差的和 :ΔΦ =Δ 非常有趣但是意义重大的推论 : Δ λ λ Δl m = L = 1 ΔΦ = 1 (Δ φ + γ) = π π N N 2 N 2 π N 2
Subdivisio n and Eliminatio n of No nlinearity in Hetero dyne Interfero meters
HOU Wen2mei , WANGJ un
( College of Optic & Electronic Engineering , University of Shanghai for Science and Technology , Shanghai 200093 , China) Abstract : An interesting and significant approach is found to decrease the nonlinearity for heterodyne interferometers. The theoretical and experimental investigations show that it can efficiently reduce the nonlinearity of heterodyne interferometer , whether this error is in the first order or the second order , even if it is caused by any reason. This method can be used in scientific research and is especially suitable for the industrial precision measurement , thus it has practical meaning for the development of nanomeasurement. Key words : Metrology ; Heterodyne interferometer ; Nonlinearity ; Frequency mixing