高频锁相激光干涉仪技术纳米定位系统

　　我们提出的位移控制方法是基于外差式迈克尔逊激光干涉仪的应用,采用压电陶瓷和由外差式激光干涉仪和自制的高频锁相电路组成的闭环位控系统.

　　1　外差式激光干涉仪原理

　　外差式激光干涉仪原理如图1.激光源包含了两个具有不同相角频率(ω1,ω2)的互相垂直的光束,设光波沿着s-p-z坐标系中z轴正方向传播,激光束的电磁场方程EL(z,t)可表示为:

式(1)中| E0|=| Es|=| Ep|为线振幅,是简谐波振荡沿着s轴和p轴的电磁场分量,分光镜BS将激光束分成两部分:一部分光直接给偏振镜和光电探测器作为激光干涉仪的参考信号,借助于带通滤波器,只测量交流分量,直流和光频分量被消除.利用Jone矩阵,在光电探测器1(PD1)上的光束电场方程为:

　　由于偏振镜相对于s轴和p轴的方位角均为45°,分光镜的分光比为50/50,所以式中相应的Jone矩阵为:

　　由于外差式激光干涉仪只检测频率约为(ω2-ω1)的频率,直流分量可以除外,所以参考信号的光强为

　　另一传输光束通过偏振分光镜分光,其中一束入射光被静止反光镜反射(作为参考光束),另一束被移动反光镜反射(测量光束),参考光束经反射后折回,测量光束被移动反光镜反射,该反光镜附着在一匀速移动的电磁驱动器上,使测量光束产生多普勒频移.参考光束与测量光束在通过偏振分光镜后重新结合并产生干涉.在理想的外差激光干涉仪中,电磁场的p和s分量被偏振分光镜完全分开,经琼斯矩阵计算,在图1中的光电探测器2(PD2)上得到的光束电磁分量为:

　　2　锁相干涉方法

　　忽略空气折射率的影响,迈克尔逊干涉仪中移动镜λ/2的位移量相对应于2π的相移,我们提出的方法基于迈克尔逊干涉仪的反向特性.如图2所示,高频电子电路产生两个同步信号S1和S2,频率均为20 MHz.该电路同时能让这两个信号中的任一一个产生量化的相移,信号S2和S1分别发至混频器和激光头,在激光头内借助于布拉格电路将信号从超声波段转化为光频波段,产生外差干涉所需的两光束.这两光束通过干涉仪后,在干涉仪的输出处重新结合为信号S3,S3与S1和S2有着同样的频率,信号S3含有位置信息,与S2相位比较后,误差信号发至锁相电路,该电路控制支撑移动镜子的执行器.

　　2.1　位置与位移控制

　　当移动反射镜靠近或远离分光镜时,因多普勒效应,移动镜上相对于信号S1或信号S2有一正或负的相移差,非零误差信号ε发至积分器,执行器作用于移动镜子,误差信号被取消.假设S1或S2承受一量为ΔΦ的相移,ε又为非零,镜子由电路驱动而移动来补偿相位差,直到S1,S2和S3的相位相等.镜子的位移量直接与相移量有关,Δx =λΔΦ/4π·如果相移值可被量化Δφ=2π/N,N为整数,这样系统就完全可以以已知的步径值Δp=λ/2N=c/2Nγ控制直线位移.由于激光频率或波长是由国际计量局为实现米定义而推荐的,所以纳米刻度的位移测量是可溯源的.