耦合差动式纳米级分辨力位移测量激光干涉仪

目前,对于纳米计量的研究方兴未艾.国内外许多研究机构都投入了一定的人力、物力和财力,致力于纳米计量的研究.

　　激光干涉仪以其良好的特性在长度计量领域被广泛采用,并建立起了其牢固的地位.对于纳米级精度位移测量激光干涉仪来讲,需要具有高稳定性、高分辨力和高精度.国内、外现有同类干涉仪不同程度地存在一个问题,即测量对环境条件要求高,很容易受到环境温度、仪器本身的温度梯度、外界振动、外部的机械变形、电子和机械噪声以及不适当的仪器设计等的影响,造成了对误差补偿技术的过分依赖,而补偿本身也有一定的精度限制,这就影响了位移测量向纳米级乃至亚纳米级精度的发展.此外,还造成了高精度与测量范围之间的矛盾,即测量精度高则测量范围小;测量范围大则测量精度就会降低.因此,在进行机械结构设计、光学元件布局时必须仔细考虑,尽量使影响测量精度的各项误差由干涉仪自身予以抵消或补偿,以提高测量精度,这是向亚纳米级测量精度发展的有效途径.

　　为此,研制了一台新型纳米级精度激光干涉仪,它类似于差动干涉,但又不同于已有的差动干涉的概念,它是将两个角锥棱镜安装在导轨滑架两端作为测量镜,它们随滑架一起移动,使两路光的光程发生变化,进而测量出位移量,所以把它定义为耦合差动式激光干涉仪.该干涉仪在10 mm(可以扩展至50 mm)测量范围内,获得了λ/800的分辨力和纳米级的测量精度.

1　干涉仪的设计思想

　　为了实现纳米级精度位移测量,主要从以下四个方面考虑干涉仪的设计.

　　1)通过简洁化和稳定化的方法来减少误差因素.任何仪器都一样,结构越复杂,那么造成误差的环节越多;相反,简洁的结构布局,可以减少带来误差的因素.

　　2)通过光学方法消除环境条件变化带来的干扰.如果由于环境条件的变化给两路光带来的影响相同的话,那么干涉信号就不会发生变化.因此,提出了耦合差动干涉的新方法,并使两束测量光在干涉仪各光学元件中的光程长度尽可能相同,从而减小由于环境变化引起的光程差.

　　3)光程变化要小.光程OP可以用折射率n和几何程长l表示为

可以从式(4)右边的每一项参数得出如何减小光程变化δOP的途径:

　　a.光学玻璃的折射率和干涉仪所处环境条件的空气折射率的变化要小.

　   b.几何程长要短,尤其是空气程长要尽量短.这意味着使干涉仪的整个光学布局紧凑、简洁.

　　c.光学元件的折射率要小.如选用低折射率的材料(例如光学silica,其nHe-Ne=1.457 10)制作光学元件.

　　d.使几何程长变化小.光学元件和光学镜座应选用热膨胀系数低的材料.此外,缩短干涉仪中无效行程(死光程)的长度也是很重要的.