基于一体式二次分光组件的外差激光干涉仪制造技术

基于一体式二次分光组件的外差激光干涉仪属于激光应用技术领域；本发明专利技术将两束频率不同的空间分离光束输入至基于一体式二次分光组件的外差激光干涉仪，其中一体式二次分光组件包含两个彼此空间垂直的分光面，这两个分光面镀有偏振分光膜或非偏振分光膜，并且测量光束和参考光束在一体式二次分光组件中的行进路径长度相等。本发明专利技术所述的外差激光干涉仪显著降低了周期非线性误差，相对于其他现有空间分离式外差激光干涉仪同时兼具结构简单、热稳定性好、容差角大和易于集成装配的优点，满足了高端装备对外差激光干涉测量高精度和高分辨率的要求。

【技术实现步骤摘要】
基于一体式二次分光组件的外差激光干涉仪
本专利技术属于激光应用
，主要涉及一种基于一体式二次分光组件的外差激光干涉仪。
技术介绍
外差激光干涉仪因其具有抗干扰能力强、信噪比高和精度高等优点而被广泛应用于超精密数控机床、光刻机以及三坐标测量机等高端装备。随着高端装备工程的不断发展，现有装备对外差激光干涉测量的测量精度和分辨率都提出了越来越高的要求。在外差激光干涉测量中，纳米级周期非线性误差严重限制了测量精度和分辨率的进一步提高。国内外研究表明周期非线性误差源于干涉光路中的光学混叠，而传统的外差激光干涉仪无法避免光学混叠，因此各国学者转变研究思路并提出了基于空间分离光路的外差激光干涉技术，即通过空间分离的光束传递来减弱或消除光学混叠以减小甚至消除周期非线性误差。基于空间分离光路的设计理念，国内外学者相继研发了不同类型的外差激光干涉仪，其周期非线性误差均显著降低，但是都存在一定的局限性。国外学者JohnLawall等研制的外差激光干涉仪(MichelsonInterferometrywith10pmAccuracy.Rev.Sci.Instrum.,2000,71(7):2669-2676)器件复杂，组成繁琐，且测量光束仅被目标平面反射镜反射一次会使干涉信号对比度易被目标平面反射镜的角度摆动所影响，即容差角较小，而且其测量光束和参考光束的光程不平衡导致该外差激光干涉仪热稳定性较差，因此无法广泛使用。台湾学者WuChien-ming等设计的外差激光干涉仪(HeterodyneInterferometerwithSubatomicPeriodicNonlinearity.Appl.Opt.,1999,38(19):4089-4094)组成极为复杂，集成装配难度大，而且测量光束也仅被目标平面反射镜反射一次使得干涉信号对比度易被目标平面反射镜的角度摆动所影响，即容差角较小，同时也存在因光程不平衡引起的热稳定性较差的问题。德国学者ChristophWeichert等设计的外差激光干涉仪(AHeterodyneInterferometerwithPeriodicNonlinearitiesSmallerthan±10pm.Meas.Sci.Technol.,2012,23(9):094005-094011)虽具有良好的热稳定性，但其结构复杂、元件定制和集成装配难度大，并且测量光束也仅被目标平面反射镜反射一次会使干涉信号对比度易被目标平面反射镜的角度摆动所影响，即容差角较小，也不易推广使用。另一国外学者StevenR.Gillmer等研制的外差激光干涉仪(DevelopmentofaNovelFiber-CoupledThreeDegree-of-FreedomDisplacementInterferometer.UniversityofRochesterMasterThesis,2013)虽然结构简单对称且具有较好的热稳定性，但是测量光束也仅被目标平面反射镜反射一次同样使干涉信号对比度易被目标平面反射镜的角度摆动所影响，即容差角较小，因此也不易推广使用。此外，韩国学者Ki-NamJoo等在专利WO2010030179A1中研制了一种新型空间分离式外差激光干涉仪，但是该外差激光干涉仪仅在采用被测目标反射镜为角锥棱镜时才具有热稳定性好、容差角大的特点；之后JonathanD.Ellis等将目标角锥棱镜改为目标平面反射镜(Fiber-coupleddisplacementinterferometrywithoutperiodicnonlinearity.OpticsLetters,2011,36(18):3584-3586.)，但其结构复杂且测量光和参考光光程不平衡，导致热稳定性较差，也不易推广使用。哈工大胡鹏程等人针对此问题提出一种改进(Highlystableheterodyneinterferometerwithoutperiodicnonlinearity.TechnischesMessen:Sensoren,Gerate,Systeme,2014.)，使测量光输和参考光束在多个分光棱镜中总光程平衡，提高了热稳定性，但是改进后的外差激光干涉仪其结构更加复杂，集成装配难度更大，也不易推广。综上所述，现有的空间分离式外差激光干涉仪均难以同时满足热稳定性好和容差角大的要求，严重限制了外差激光干涉仪测量能力的提高。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对现有空间分离式外差激光干涉仪的不足，提出了一种基于一体式二次分光组件的外差激光干涉仪，以达到综合提高外差激光干涉的测量精度和测量分辨率的目的。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：(1)所述第一输入光束入射至一体式二次分光组件后被分成第一测量光束和第一参考光束；第二输入光束入射至一体式二次分光组件后被分成第二测量光束和第二参考光束；第一测量光束和第二测量光束中至少有一束光束被目标平面反射镜至少反射一次；第一和第二测量光束以及第一和第二参考光束均被一体式二次分光组件的第一分光面和第二分光面多次透射或反射；并且第一测量光束和第二参考光束在输出行进路径中至少有一部分重合并形成第一干涉信号，第一参考光束和第二测量光束在输出行进路径中至少有一部分重合并形成第二干涉信号。(2)所述的一体式二次分光组件，包括第一等腰直角棱镜、第二等腰直角棱镜以及第三等腰直角棱镜。其中第一等腰直角棱镜和第二等腰直角棱镜尺寸相同且通过彼此直角边面的粘接形成一个与第三等腰直角棱镜尺寸相同的组合式等腰直角棱镜；第三等腰直角棱镜通过其斜边面与组合式等腰直角棱镜的斜边面粘接形成长方体状的一体式二次分光组件；并且第一等腰直角棱镜和第二等腰直角棱镜的粘接面作为第一分光面，第一和第二等腰直角棱镜形成的组合式等腰直角棱镜与第三等腰直角棱镜的粘接面作为第二分光面。(3)所述第一分光面和第二分光面镀有偏振分光膜或非偏振分光膜，且在空间上彼此垂直。(4)所述第一测量光束和第二参考光束以及第二测量光束和第一参考光束均在一体式二次分光组件中的行进路径长度相等。本专利技术的基于一体式二次分光组件的外差激光干涉仪，包括：两个空间不重合且频率不同的第一输入光束和第二输入光束、一体式二次分光组件、固定反射镜以及可移动的目标平面反射镜。本专利技术具有以下特点及优势：(1)本专利技术中，外差激光干涉仪的测量光束和参考光束在最终干涉之前在空间上是分离的，从而显著降低了周期非线性误差；同时，所述第一测量光束和第二参考光束以及第二测量光束和第一参考光束均在一体式二次分光组件中的行进路径长度相等，使得外差激光干涉仪的结构热稳定性很好；此外，外差激光干涉仪测量光束被目标平面反射镜反射两次，使得干涉信号的空间矢配性增强，容差角大，提高了工程实用能力；本专利技术的外差激光干涉仪相较于其他空间分离式外差激光干涉仪同时兼顾了以上特点。(2)本专利技术中，外差激光干涉仪结构简单，易于集成装配，在其安装和使用过程中稳定性好，并且可用光纤导入光源和导出干涉光束，这些都是相较于其他空间分离式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于一体式二次分光组件的外差激光干涉仪，包括：两个空间不重合且频率不同的第一输入光束和第二输入光束、一体式二次分光组件、固定反射镜以及可移动的目标平面反射镜；/n其特征在于：所述第一输入光束入射至一体式二次分光组件后被分成第一测量光束和第一参考光束；第二输入光束入射至一体式二次分光组件后被分成第二测量光束和第二参考光束；第一测量光束和第二测量光束中至少有一束光束被目标平面反射镜至少反射一次；第一和第二测量光束以及第一和第二参考光束均被一体式二次分光组件的第一分光面和第二分光面多次透射或反射；并且第一测量光束和第二参考光束在输出行进路径中至少有一部分重合并形成第一干涉信号，第一参考光束和第二测量光束在输出行进路径中至少有一部分重合并形成第二干涉信号。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于一体式二次分光组件的外差激光干涉仪，包括：两个空间不重合且频率不同的第一输入光束和第二输入光束、一体式二次分光组件、固定反射镜以及可移动的目标平面反射镜；
其特征在于：所述第一输入光束入射至一体式二次分光组件后被分成第一测量光束和第一参考光束；第二输入光束入射至一体式二次分光组件后被分成第二测量光束和第二参考光束；第一测量光束和第二测量光束中至少有一束光束被目标平面反射镜至少反射一次；第一和第二测量光束以及第一和第二参考光束均被一体式二次分光组件的第一分光面和第二分光面多次透射或反射；并且第一测量光束和第二参考光束在输出行进路径中至少有一部分重合并形成第一干涉信号，第一参考光束和第二测量光束在输出行进路径中至少有一部分重合并形成第二干涉信号。


2.根据权利要求1所述的一体式二次分光组件，包括：第一等腰直角棱镜、...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡鹏程，苏晓博，付海金，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23