激光合成波长纳米测量干涉仪的非线性误差分析

　　1　引　言

　　在偏振光纳米干涉测量系统中,非线性误差主要来源于激光源的偏振态非正交及椭圆化,光学元件,特别是偏振元件性能不理想或调整不完善[1,2]。其现象是两个正交方向上的偏振光不能彻底分开,从而形成较大的周期性非线性误差[3],成为影响测量精度的重要误差源。国内外许多文献都对此进行了较为详尽的分析,包括单频偏振干涉仪[4,5]和双频外差干涉仪[6~11],也提出了不少修正方法,如增加测量系统光学器件或相位检测电路。但这往往使得测量系统结构复杂,还增加了光学器件及电路的随机漂移误差。而本文所提出的激光合成波长纳米测量干涉仪受这些因素的影响较小,详细分析了该干涉仪的光路特点及其非线性误差。

　　2　原　理

　　激光合成波长纳米测量干涉仪的基本原理如图1所示,采用频差为1 GHz的双纵模激光器作为光源,激光器输出两正交线偏振光,其中波长为λ1的光束经分束器(BS)分成两路,分别射向偏振分束器1(PBS1)和参考镜M1后返回,经偏振分束器2(PBS2)全反射,用探测器1检测其干涉条纹信号;波长为λ2的光束经分束器分成两路,一路光束透过PBS1射向测量镜M2后返回,另一路射向参考镜M1后返回,λ2的干涉信号透过PBS2后用探测器2检测其干涉条纹信号。

　　图1中,当参考镜M1和测量镜M2同时运动时,参考镜的运动位移ΔL和测量镜的位移Δl存在一一对应的关系,当测量镜运动一个单波长λ2的位移时,参考镜恰好运动一个合成波长λs的位移。理论分析得被测位移

　　如果光源采用0.6328μm波段He-Ne双纵模激光器,单波长λ2=0.6328μm,其输出的两个光波频率差约为Δν=1070 MHz,则合成波长为λs≈280 mm,可以得到干涉条纹细分系数Kdiv=λ2/λs≈1/440000,这表明通过对参考镜毫米级位移的测量,即可实现对测量镜纳米级位移的高精度测量,这样大的细分系数要优于目前所有的干涉条纹细分方法。

　　3　非线性误差分析

　　在激光偏振干涉光路中,由于激光源偏振态不理想或不稳定,实际光路光学元件性能及调整的不理想,都可能引起非线性误差。基于合成波长干涉条纹细分原理的纳米测量干涉仪,光路结构简单,涉及光学元件较少,由光源、偏振分束器和角锥棱镜引入的非线性误差要小于一般的光学纳米干涉系统。

　　3.1　双纵模激光偏振态的影响

　　3.1.1　激光源引入的偏振混叠影响

　　双纵模He-Ne激光器可发射振动方向正交、频差为数百兆赫兹的线偏振光;其振动方向往往有20°~30°以下的漂移,实施稳频后可明显减小漂移范围,但不能完全消除,其方向也有再现偏差。设光源输出的两个波长在偏振方向上存在如图2所示的误差,其矢量形式为