影响激光外差高精度计量的几个关键因素

　　由于共光路外差干涉系统中的测量光束和参考光束共处同一环境中,因此它对空气扰动、温度变化及测量方向的机械振动不敏感,从而大大降低了对测量环境的要求,提高了系统的抗干扰能力,成为在一般计量环境及超精加工现场环境下高精度测量最有前途的一种方法.但要使共光路外差干涉仪实现纳米量级的测量精度,对测量系统的安装调试及光学元件有很高要求.日本及英国的科学家对分光路外差干涉仪的非线性误差进行了分析[1],[2],认为其误差可达纳米量级.但对共光路光学系统中非线性误差的成因及规律的分析目前尚属空白,它对正确设计和安装干涉仪,实现非线性误差补偿和高精度微小尺寸测量具有指导意义.

　　1　测量原理

　　图1是适合于台阶高度测量的激光外差共光路差分干涉仪.激光器是塞曼稳频的He-Ne激光器,它的输出光束中含有频率稍有差别的两个频率f1和f2,而且它们分别为右旋和左旋圆偏振光.经λ/4波片(λ为波长),两个圆偏振光变成偏振方向相互垂直的线偏振光.该光束由分光器分为两部分,反射部分即为参考光束,它经偏振片,聚焦透镜而干涉,作为比相计中的参考信号.透过分光器的光束即为测量光束,它经望远系统、反射镜而折向Wollaston棱镜.Wollaston棱镜把测量光束中两个不同偏振方向的部分(f1和f2)分开,通过物镜折向被测表面.由被测表面反射回来的光束经Wollaston棱镜合束,再经检偏器而干涉,作为比相计的测量信号.经分析[3],被测高度可表示为H=λ0·Δφ0/4π.其中,λ0是激光束的中心波长;Δφ0为参考光束与测量光束之间的相位差.可见被测高度的精度主要和测相精度有关.目前的鉴相技术很容易达到0.1°~0.3°,所以系统的分辨率可以小于0.3nm.测相精度的提高并不意味着系统具有很高的测量精度,因为系统中有很多因素会引起测量光束的附加光程(相移),从而引起测量系统的误差.

　　2　影响测量精度的4个关键因素

　　2.1　频率混叠误差

　　所谓频率混叠[4]就是在幅值为A的测量光束A·ei2πf1中混有频率是f2、幅值是β的光束;在幅值为B的测量光束B·ei2πf2中混有频率是f1、幅值是α的光束;设φA,φB,φα,φβ分别是这4种光束从被测表面反射后产生的相位差,则它们经Wollaston棱镜合束产生干涉后,其干涉光场可以用复矢量表示如下:

　　式中,a是测量得到的拍频信号的幅度;φ是实际测得的两个测量光束间的相位差;φm是理想的相位差一阶误差项,在共光路光学系统中,其相位差是一个常项.这两种误差项是随被测相位变化而变化的,不能用定标的方法来修正,所以必须具体分析其误差源,找出误差的变化规律.

　　在共光路外差干涉仪中,引起频率混叠的误差源有两个:1)Wollaston棱镜的方位角误差;2)激光束的椭圆偏振化.