基于阵列式探测器的单光束三自由度外差激光干涉仪制造技术

基于阵列式探测器的单光束三自由度外差激光干涉仪属于激光应用技术领域；本发明专利技术将共轴传输且频率不同的两个激光光束输入至迈克尔逊干涉结构，通过设置参考平面反射镜的角度使得测量光束和参考光束非共轴干涉并形成单光束外差干涉信号，选用阵列式探测器有效接收单光束外差干涉信号，最终通过三自由度解耦方法对单光束外差干涉信号实现三自由度信号线性解耦。本发明专利技术所述的激光干涉仪不存在角度解耦非线性，显著降低了周期非线性误差，相比于其他现有三自由度激光干涉仪同时兼具结构简单、角度测量范围大和易于集成的优点，满足了三自由度激光干涉仪对位移及角度测量的高精度需求。

【技术实现步骤摘要】
基于阵列式探测器的单光束三自由度外差激光干涉仪
本专利技术属于激光应用
，主要涉及一种基于阵列式探测器的单光束三自由度外差激光干涉仪。
技术介绍
激光干涉测量技术是精密工程中的基础核心技术，在精密计量、高端装备制造以及大科学装置等领域发挥着十分重要的作用。随着上述领域近年来的飞速发展，不仅需要位移测量的精度从纳米量级提升至亚纳米乃至皮米量级，同时也需要位移测量的形式从单轴线位移测量转变为多轴线/角位移三自由度复合测量。目前，在多轴激光干涉测量领域使用最广泛的是基于平行光束测量的激光干涉仪。基于平行光束测量的激光干涉仪按原理可分为零差/外差激光干涉测量，通常以三轴(或多轴)相互平行的测量光束同时测量被测目标的不同部分，每一轴的测量光束均实现单轴位移测量，且测量光斑在被测目标面按照“品”字型或“L”型等方式排列。由每个测量轴得到的位移结果可解算出被测目标的三自由度信息，包括位移、偏摆角和俯仰角。在激光干涉仪众多误差源中，周期非线性误差是限制激光干涉仪突破纳米精度的主要瓶颈。Heydemann椭圆拟合修正方法可将零差激光干涉仪的周期非线性误差抑制到亚纳米量级(CollettM.J.,TeeG.J.EllipseFittingforInterferometry.Part1:StaticMethods[J].JOptSocAmAOptImageSciVis,2014,31(12):2573-2583)，与多轴激光干涉测量的深亚纳米/皮米级精度需求仍有差距。消除光学混叠的非共光路外差干涉结构可将外差激光干涉仪的周期非线性误差抑制到深亚纳米量级，其中将周期非线性误差抑制在10pm左右的有哈尔滨工业大学的胡鹏程等人提出的非共光路外差干涉结构(FuH.,WuG.,HuP.,etal.HighlyThermal-StableHeterodyneInterferometerwithMinimizedPeriodicNonlinearity[J].ApplOpt,2018,57(6):1463-1467)以及德国PTB的Weichert等人提出的非共光路外差干涉结构(WeichertC.,P.,R.,etal.AHeterodyneInterferometerwithPeriodicNonlinearitiesSmallerThan±10pm[J].MeasurementScienceandTechnology,2012,23(9):094005)，但非共光路外差干涉结构元件组成复杂，其原理导致输入光束的数量比传统共光路外差干涉结构多一倍，在多轴的位移和角度测量中均会耦合叠加各测量轴的周期非线性误差，故目前仅应用于单轴测量。除此以外，基于平行光束的激光干涉仪一般采用传统的棱镜组逐级分光，其设计和加工难度极大，其分光过程中的平行度误差会随着入射光束数量的增加而累积。Keysight(原Agilent)、Zygo等少数激光干涉仪龙头企业掌握了利用棱镜组逐级分光实现的高精度平行分光技术，并在此基础上研制了单体式多轴干涉镜组。Keysight公司的单体三轴干涉镜组光轴平行度高达25μrad，但单体五轴干涉镜组光轴平行性即已降低为100μrad。此外，当测量距离较大时，空气中的湍流还会对每轴测量光束造成不同程度的扰动，影响位移和角度的测量稳定性。能够实现精密多轴激光干涉测量的另一种代表性技术是基于单光束测量的差分波前激光干涉仪，差分波前干涉仪中形成干涉的两束光的波前存在夹角，其参考干涉信号和测量干涉信号在四象限探测器上的每个象限上的相位差是不同的，四个象限的交流信号之和可以用于计算位移，左边两个象限与右边两个象限的信号做差可解算偏摆角，上边两个象限与下边两个象限的信号做差可解算俯仰角。具有代表性的是美国学者Gillmer等人提出的紧凑型差分波前干涉仪(YuX.,GillmerS.R.,EllisJ.D.BeamGeometry,Alignment,andWavefrontAberrationEffectsonInterferometricDifferentialWavefrontSensing[J].MeasurementScienceandTechnology,2015,26(12):125203)，但是该差分波前干涉仪存在角度解耦非线性的原理误差并且直接限制了角度测量精度和角度测量范围，导致其角度测量范围比传统外差激光干涉仪更小，通常在0.1mrad量级或以下。综上所述，现有的基于平行光束测量的激光干涉仪存在结构复杂、加工难度极大以及多轴周期非线性耦合的问题，基于单光束测量的差分波前干涉仪存在角度耦合非线性和角度测量范围较小的问题，严重限制了激光干涉仪三自由度测量能力的提高。
技术实现思路
本专利技术针对以上现有三自由度测量激光干涉仪的缺点和不足，提出了一种基于阵列式探测器的单光束三自由度外差激光干涉仪，以达到综合提高三自由度激光干涉仪的测量精度和角度量程的目的。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：(1)一种基于阵列式探测器的单光束三自由度外差激光干涉仪，包括：共轴传输且频率不同的第一输入光束和第二输入光束、迈克尔逊干涉结构、阵列式探测与信号解耦模块；所述迈克尔逊干涉结构包括第一四分之一波片、第二四分之一波片、第一分光面、第二分光面、固定的参考平面反射镜以及可移动的目标平面反射镜，且所述第一分光面镀有非偏振分光膜，所述第二分光面镀有偏振分光膜；所述第一输入光束和第二输入光束分别为竖直线偏振激光和水平线偏振激光，入射至第一分光面后其反射光束形成参考干涉信号且被光电接收器接收为参考干涉光强信号，其透射光束继续入射至第二分光面分别形成第一测量光束和第一参考光束；第一测量光束被目标平面反射镜至少反射一次且第一参考光束被参考平面反射镜至少反射一次；并且第一测量光束和第一参考光束在输出行进路径中至少有一部分重合并形成第一单光束外差干涉信号。(2)所述的固定的参考平面反射镜的反射面与第一参考光束不垂直，使得第一测量光束和第一参考光束在输出行进路径中从不共轴传输。(3)所述的阵列式探测与信号解耦模块，包括探测通道分布为m×n的阵列式探测器，其中m为探测通道纵向分布数量，即行数，n为探测单元横向分布数量，即列数，且行数m和列数n均大于等于4；阵列式探测器的探测通道可以有效探测第一测量光束和第一参考光束在输出路径形成的第一单光束外差干涉信号。(4)所述的激光干涉仪，其三自由度解耦方法可对第一单光束外差干涉信号实现三自由度信号线性解耦；所述三自由度解耦方法包括：步骤一，阵列式探测器的每一个探测通道接收第一单光束外差干涉信号并转换为第一单光束外差干涉光强信号，规定光强信号I(x,y)为位于第x行、第y列的探测通道探测到的第一单光束外差干涉光强信号分量；步骤二，由任意一行所有探测通道探测到的第一单光束外差干涉光强信号分量同时与参考干涉光强信号进行解算得到的携带有目标平面反射镜的多普勒频移的相位差，可解算出目标平面反射镜相对于参考平面反射镜的偏摆角；步骤三，由任意一列或任意两行的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于阵列式探测器的单光束三自由度外差激光干涉仪，包括：共轴传输且频率不同的第一输入光束和第二输入光束、迈克尔逊干涉结构、阵列式探测与信号解耦模块；/n其特征在于：所述迈克尔逊干涉结构包括第一四分之一波片、第二四分之一波片、第一分光面、第二分光面、固定的参考平面反射镜以及可移动的目标平面反射镜，且所述第一分光面镀有非偏振分光膜，所述第二分光面镀有偏振分光膜；所述第一输入光束和第二输入光束分别为竖直线偏振激光和水平线偏振激光，入射至第一分光面后其反射光束形成参考干涉信号且被光电接收器接收为参考干涉光强信号，其透射光束继续入射至第二分光面分别形成第一测量光束和第一参考光束；第一测量光束被目标平面反射镜至少反射一次且第一参考光束被参考平面反射镜至少反射一次；并且第一测量光束和第一参考光束在输出行进路径中至少有一部分重合并形成第一单光束外差干涉信号。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于阵列式探测器的单光束三自由度外差激光干涉仪，包括：共轴传输且频率不同的第一输入光束和第二输入光束、迈克尔逊干涉结构、阵列式探测与信号解耦模块；
其特征在于：所述迈克尔逊干涉结构包括第一四分之一波片、第二四分之一波片、第一分光面、第二分光面、固定的参考平面反射镜以及可移动的目标平面反射镜，且所述第一分光面镀有非偏振分光膜，所述第二分光面镀有偏振分光膜；所述第一输入光束和第二输入光束分别为竖直线偏振激光和水平线偏振激光，入射至第一分光面后其反射光束形成参考干涉信号且被光电接收器接收为参考干涉光强信号，其透射光束继续入射至第二分光面分别形成第一测量光束和第一参考光束；第一测量光束被目标平面反射镜至少反射一次且第一参考光束被参考平面反射镜至少反射一次；并且第一测量光束和第一参考光束在输出行进路径中至少有一部分重合并形成第一单光束外差干涉信号。


2.根据权利要求1所述的固定的参考平面反射镜，其特征在于：固定的参考平面反射镜的反射面与第一参考光束不垂直，使得第一测量光束和第一参考光束在输出行进路径中从不共轴传输。


3.根据权利要求1所述的阵列式探测与信号解耦模块，包括探测通道分布为m×n的阵列式探测器，其中m为探测通道纵向分布数量，即行数，n为探测单元横向分布数量，即列数...

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