二维纳米激光测量系统的研究

　　纳米测量是目前科技界研究的热点之一,在已成功实现纳米级测量的原理和方法中,干涉法是被公认为较好的并已成功应用的一种,包括外差干涉仪法[1]、Fabry2Perot干涉仪法[2]和光栅干涉仪法等[3].但这些干涉方法在不同程度上都存在着同一问题,即对测量环境条件要求很高,测量精度容易受环境温度、大气压力、湿度、大地振动以及仪器本身设计等因素的影响,从而限制了这些干涉仪的稳定性、分辨率和测量精度的进一步提高[4].

　　本文研究的二维纳米测量系统,综合考虑了光系统与机械布局,采用耦合差动干涉光路,应用光程差倍增的方法,可实现λ/8的光学细分.通过与电容测微仪的比对测试,取得了10~12 nm的测量精度.

　　1　系统工作原理

　　本文所研究的实用型二维纳米激光测量系统集动、定位、测量及信号处理等技术于一体.测量系统采用完全相同的两层独立结构组成的二维工作台,每一维由氦氖激光器、激光干涉系统和信号接收处理系统组成.

　　1.1　激光干涉系统

　　耦合差动干涉是一种新型干涉方法,它类似于差动干涉,但又有别于差动干涉,它是将两个反射镜安装在导轨滑架两端作为测量镜,它们随导轨滑架一起移动,使两路光的光程一路增大,而另一路减小,从而引起光程差的变化,实现干涉测量.

　　光学8倍频的耦合差动式干涉光学系统如图1所示.直角棱镜2、5固定于导轨滑架两端,其余的光学镜片均固定在工作台的基座上.激光器发出的光束经扩束镜(倒置的望远系统)准直扩束后,光斑直径大约为3 mm.该光束经分光镜1分成两束光,一路反射光经过直角棱镜2、3多次反射,平移一段距离后返回分光镜1,形成一路测量光束a;另一路透射光,经反射镜4反射,到达直角棱镜5、6,经过多次反射平移一段距离后回到反射镜4,再经反射回到分光镜1,形成另一路测量光束b;两路光在分光镜1处重新汇合,发生干涉.干涉光信号由反射镜7反射,被分光镜8分成两部分,并由PIN2FET混合集成光电接收器D1、D2来接收干涉条纹信号,利用机械法移相,获得了相位差为90°的两路按正弦规律变化的电信号.

　　当直角棱镜2和5所在的导轨滑架向左移动ΔL时,测量光束a的光程增加4ΔL,而测量光束b的光程则减少4ΔL,这样就产生了光程差D,而D与导轨位移量ΔL之间的关系可以表示为

　　因此可以产生λ0/(8n)的光学细分,即导轨滑架每移动λ0/(8n),光电接收器输出信号就会变化一个周期,记录下信号变化的周期数,就可以确定被测位移ΔL.于是便得到了这台耦合差动干涉仪测长的基本传递函数

式中:n为测量条件下的空气折射率;λ0为真空中氦氖激光波长; N为干涉条纹明暗变化的次数即光电信号变化的周期数.