光程差倍增的纳米级精度激光干涉仪

　　1　引　言

　　激光干涉仪在长度计量领域已被广泛采用,并且近年来的发展十分迅速。随着纳米技术的发展,对激光干涉仪的性能要求也越来越高,需要不断提高其稳定性、分辨率和测量精度。国内外现有高精度,特别是纳米级精度激光干涉仪不同程度地存在一个共同问题,那就是对测量的环境条件要求很高,测量精度很容易受到环境温度、仪器本身的温度梯度、大气压力、湿度、大地振动、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[1],这就限制了这类干涉仪的商品化,使之不能得到推广应用。因此,在对干涉仪进行机械结构设计及光学元件布局时,必须全面考虑,尽量使影响测量精度的各种因素由干涉仪自身予以消除,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。

　　要使干涉仪达到高精度,首先要获得高分辨率。目前,提高干涉仪分辨率的方法主要有两种:一是通过电路对干涉信号进行细分;二是对光程差进行倍增。对于高精度干涉测量来说,环境条件的变化是影响测量精度的重要因素,而对光程差进行倍增,具有直接将长度信息变成多倍光程差的优点,这有助于提高干涉仪的抗干扰能力和测量精度。

　　我们研制的这台新型纳米级精度激光干涉仪,在对光程差进行倍增的前提下,还提出了耦合差动干涉的新方法,使干涉仪在10 mm(可以扩展至50 mm)测量范围内,获得了λ/1600的分辨率和纳米级的测量精度,且具有良好的稳定性。

　　2　新型干涉仪结构及测量原理

　　图1所示是光程差倍增的耦合差动式激光干涉仪的结构图。组成该干涉系统的光学元件,除反射镜M1,M2固定在导轨滑架两端随导轨一起移动以外,其余的均固定在横跨导轨的主支架上,且除偏振分光镜1以外的光学元件被集合成为一体,结构非常紧凑。

　　耦合差动干涉是一种新的干涉方法,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,从而测量出位移量。

　　从图1可以看出,由激光器发出的光经偏振分光镜1被分成两部分,反射部分由偏振分光镜2反射,经λ/4波片5到达固定在导轨滑架上的移动反射镜M1,经反射返回分光镜2,由于这束光两次经过λ/4波片5,故重新返回分光镜2的光的偏振方向变化90°而透过分光镜2,经λ/4波片8,被平面反射镜9反射回分光镜2,同样道理,由于这束光两次经过λ/4波片8,其偏振方向发生变化,到达分光镜2后被反射至直角棱镜7,经反射回到分光镜2,又被分光镜2反射,经λ/4波