用于纳米精度大范围位移测量的半导体激光干涉仪

　　1　引　言

　　在传统的光学干涉测量方法中,测量范围和测量精度是两个互相矛盾的量,或者在较小的测量范围内达到较高的测量精度[1~3],或者以较低的测量精度来换取较大的测量范围,如双波长干涉测量[4]、双重正弦相位调制干涉测量法[5]等。而在一些实际应用中,测量范围和测量精度的要求都比较高。因此改进已有的测量方法,使测量范围得到扩大的同时,满足测量精度的要求,是一项重要的工作。

　　扩大测量范围的工作已有报道,文献[6]将正弦相位调制半导体激光干涉仪的测量范围扩大到1mm,但只是给出测量范围在1·6μm内的测量精度:均方根误差为5 nm,没有给出测量范围超过1·6μm时的测量精度,而且该干涉仪结构复杂。文献[7]利用差拍技术将Fabry-Perot干涉仪的测量范围由0·18μm扩大到1·1μm,测量不确定度为3·5nm,该方法比较复杂,导致干涉仪结构复杂。Suzuki等在位移的实时测量中实现了测量范围的扩大,但是这种范围的扩大受到限制,而且测量精度也相对较低[8,9]。

　　正弦相位调制(SPM)干涉测量法是一种高精度干涉测量方法[10~13],半导体激光器(LD)的引入使得SPM干涉仪结构更加紧凑简单。在此基础上,为降低测量误差,提高测量精度,作者提出了光频光热调制LD-SPM干涉仪[14,15]。此干涉仪测量的重复精度接近1 nm,但位移的测量范围不超过λ/2。由于测量范围过小,不能用于同时要求大范围、高精度的场合。本文以该干涉仪为基础,分析了其测量范围过小的原因,提出了扩大测量范围的方法,突破了该干涉仪只有半个波长测量范围的限制,实现了大范围内的纳米精度测量。

　　2　原　理

　　图1为光频光热调制LD-SPM干涉仪,虚线框内为组合光源。LD2由直流i02和正弦电流Δi(t)=acos(ωct+θ)通过LM(LD modulator)驱动。LD2发出的光经过准直透镜L2,偏振分束器PBS,透镜L1后,聚焦到LD1上。由LD1发出的光经过准直透镜L1, PBS后,由分束器BS分成两束平行光,分别照射到参考镜M和被测物体Object上。M与Object的反射光产生的干涉信号由光电二极管PD检测,经过模数转换器送入计算机。

　　S0为干涉信号交流成分的振动振幅,ωc为正弦相位调制的角频率,α0为被测物体静止时干涉信号的相位,β为波长的调制系数,l为被测物体静止时干涉仪两臂的光程差,r(t)为被测物体的位移,λ0为LD1的中心波长。

　　被测物体的位移r(t)是根据干涉信号傅里叶变换后,先求出z值,然后利用反正切函数求出其相位α(t)后得到的[2]。由于α(t)的值域为[-π,π],因此对于任意大小的位移,它的求出值均在[-λ0/4,λ0/4]范围内,这就不能正确测量范围超过[-λ0/4,λ0/4]的位移。