用于微位移测量的笔束激光干涉仪

　　1　引　言

　　目前能够进行亚微米位移测量的测量方法有很多种,包括电容测微仪、X射线干涉法、F-P激光干涉法、外差激光干涉法、零差激光干涉法等[1—3]。电容测微仪的测量范围有限,测量分辨率与测量范围有关,而且存在非线性;X射线干涉仪结构复杂,价格昂贵;F-P激光干涉的分辨率可达0.1 nm,但测量范围一般都较小;外差激光干涉法应用了载波思想而将被测量转换为调频或调相信号,从而使得系统具有较高的抗干能力和分辨率,但当干涉仪用于纳米测量时,一般要求拍频频差甚低,因而对干涉光源要求苛刻。

    相对于外差干涉仪而言,零差干涉仪的光源为单一频率,因而成本较低;但对常用的零差干涉仪,当测量镜静止时其输出的干涉信号为直流量,易受光强波动和电路噪声影响,因此测量精度和分辨率不易提高。为此,用于纳米测量的零差干涉仪仍需采用调制技术,此时系统精度受限于调制器件的精度。

　　有别于目前常用的亚微米/纳米零差干涉法,本文介绍了一种基于空间干涉原理的纳米精度零差干涉位移测量方法。该方法继承了普通零差干涉仪的优点——光源为单一频率,而克服了其缺点——测量精度不受光强波动、光束波前质量等因素的影响。

　　笔束激光干涉仪(pencil beam interferometer)最初于1982年由Bieron[4]提出,目的是用于测量具有轴对称或旋转对称结构的大型非球面光学元件的线轮廓。此后,Tackacs、钱石男等对笔束激光干涉仪作了重要改进和完善,提出了长程面型仪(Long Trace Profil-er)[5,6],并将其应用于同步辐射装置掠入射反射镜的轮廓测量,取得了很高的测量精度。

　　本文在笔束激光干涉仪的基础上,提出了用于纳米位移测量的基本方案,并构建了实验系统,实验结果表明,该系统具有纳米精度的位移测量能力。

　　2　用于微位移测量的笔束激光干涉仪原理

　　用于微位移测量的笔束激光干涉仪原理如图1所示:稳频激光器发出的激光束,经光纤准直系统准直细化后生成直径甚细的准直激光束(称之为笔束光(pen-cil beam),并记其波前为U0),U0经分光镜BS后分成测量光束lm和参考光束lr。这两束笔光分别经各自的直角棱镜反射后,被平行地反射回来并再一次到达分光镜BS,但此时lm与lr不再重合,而是存在一间距2d。经过BS后,测量光束与参考光束平行入射至傅立叶变换(FT)透镜,并在FT透镜的后焦面上发生干涉,形成计量条纹。干涉图样被目镜MO放大后成像于CCD上,通过图像采集卡输入计算机进行数据处理。

　　FT透镜前的光场分布U(x,y)可用(1)式来描述

　　考虑到单模光纤准直系统的出射光是振幅呈中心对称贝塞尔(Bessel)分布的平面波,其近场分布与高斯函数十分相近[7]。为方便分析,我们直接取U0为高斯光束,即记