双频激光干涉仪的非线性研究

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3.0 高德中 2024-11-19 7 4 2.25MB 43 页 15积分

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摘要

由于激光干涉仪有很好的测量精度，利用电信号相位细分可以达到亚纳米的

分辨率，它已成为科学研究和精密测量中广泛应用的工具，国内外也有很多公司

开发了仪器出售。随着科学技术的不断进步，人们对纳米测量工具提出了更高的

要求，为适应这些新的测量要求，双频激光干涉仪也必须提高其测量精度。然而，

由于干涉仪光学系统的干涉臂中存在混频的原因，使测量信号出现一个附加相位

误差，导致测得的信号相位位移与被测长度不是线性关系，这种随着被测长度以

光波波长为周期变化的非线性误差，对干涉仪有效分辨率的造成的影响十分严重，

误差范围一般在一、两个纳米到一、二十个纳米，甚至更高。为了提高激光干涉

仪的测量精度，真正实现纳米测量，分析和解决非线性误差的问题就成为目前重

要研究课题之一。

本课题从激光干涉仪的理论入手，分析了激光干涉仪的测量原理和产生非线

性误差的原因，指出非线性误差主要由干涉臂中存在混频引起的，并对引起混频

现象的各个因素进行了分析。实验验证了双频激光器光源的出射光存在非正交或

椭圆化的现象，特别是研究了偏振分光镜对双频激光干涉仪非线性的影响，介绍

了由于工艺上的不足导致的漏光的产生。然后，为了证实偏振分光镜对双频激光

干涉仪非线性的影响，本文经过理论分析设计出实验方案，即采用双频激光器、

偏振分光镜和偏振片等器件，在偏振分光镜的透射和反射方向搭建不同的光路反

复接收拍频信号，并观测在不同情况下拍频信号的变化。最后，通过多组实验证

明，由于干涉仪中入射光一般至少要两次通过偏振分光镜，第二次通过偏振分光

镜时漏光会大大减少，甚至接近消除。因此，得出重要结论：光源的非理想对双

频激光干涉仪非线性的影响比偏振分光镜的影响要大得多。本课题来源于国家自

然基金项目，是“纳米干涉测长中的非线性问题研究”项目中的关键组成部分。

关键词:双频激光干涉仪非线性误差偏振分光镜

ABSTRACT

The nonlinear error in the dual frequency laser interferometers measurement was

studied. Heterodyne laser interferometers can achieve sub-nanometer resolution by

subdividing the optical wave, which are widely used for precision measurement in

scientific research and industry around the world. With the development of science and

technology, nanometer measuring instruments are required to improve their precision in

order to meet the needs in measurement of higher accuracy. However, as a result of

some unavoidable errors in the optical system of interferometers, there was an

additional phase error, which leads to the nonlinear relationship between the measured

signal phase shift and the measured length. The nonlinear error of heterodyne

interferometers exists in all laser interferometers. This kind of nonlinear error will

significantly affect the resolution, which ranges from 1 or 2 nanometers to 10 to 20

nanometers or even higher. Therefore, it is important to investigate the nonlinear error

in order to improve the resolution of interferometer and to attain nanometer

measurement.

This research starts with the theoretical analysis in the principle of interferometer

and the cause of nonlinear error, which shows that the aliasing phenomenon might be

the reason. Then the analysis is extended to the factors which might cause the aliasing

phenomenon. Based on the theoretical analysis, the experimental plan is designed. In

the experiment heterodyne laser, polarizing beam splitter, and polarizer, and other

equipments are used. Different optic paths are constructed for the transmission and

reflection of the polarizing beam splitter to observe the beat frequency signal, From

experimental verification, it is obtained that the mixing phenomenon is coursed by the

non-orthogonality or ellipticity of the light source. As the incident light of

interferometer passes though the polarizing beam splitter twice, the leakage will be

greatly reduced or even close to elimination when the incident light passes the

polarizing beam splitter the second time. We come to an important conclusion, the

non-ideal of the light source affect much more on mixing frequency of dual frequency

laser interferometers than the leakage of polarizing beam splitter. This work is the key

part of the research project "The Study of Nonlinear Error" funded by Chinese National

Natural Science Foundation.

Key Words: Dual Frequency Laser Interferometers, Nonlinear Error，

Polarizing Beam Splitter

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

§1.1 引言 ......................................................... 1

§1.2 激光干涉测量技术 ............................................. 1

§1.2.1 单频激光干涉仪的测量原理 ................................. 2

§1.2.2 双频激光干涉仪的测量原理 ................................. 3

§1.3 双频激光干涉测量技术的现状及优势 ............................. 4

§1.3.1 双频激光干涉仪的发展现状 ................................. 4

§1.3.2 双频激光干涉仪的优势 ..................................... 6

§1.4 双频激光干涉仪的误差 ......................................... 6

§1.5 双频激光干涉仪非线性误差研究的国内外发展现状 ................. 6

§1.6 本文主要研究工作 ............................................. 7

第二章双频激光干涉仪的原理及其非线性分析 ............................ 9

§2.1 双频激光干涉仪的非线性误差产生的原理 ......................... 9

§2.2 光源对非线性的影响 .......................................... 10

§2.3 偏振分光镜对非线性误差的影响 ................................ 12

§2.3.1 偏振分光镜的设计 ........................................ 13

§2.3.2 区分非正交和漏光引起的非线性误差 ........................ 14

§2.4 本章小结 .................................................... 16

第三章实验方案的设计以及光路的调整 ................................. 17

§3.1 理论分析及实验方案制定 ...................................... 17

§3.1.1 偏振分光镜透射方向分析 .................................. 17

§3.3.2 偏振分光镜反射方向分析 .................................. 19

§3.2 实验光路的调整 .............................................. 22

§3.3 本章小结 .................................................... 23

第四章实验验证影响混频的因素 ....................................... 24

§4.1 用参数已知的偏振分光镜进行四组对比实验 ...................... 24

§4.1.1 在 PBS1透射方向接收拍频信号 ..............................25

§4.1.2 使入射光两次通过偏振分光镜 PBS1，在 PBS1透射方向接收拍频信号

........................................................ 26

§4.1.3 在偏振分光镜 PBS1反射方向接收拍频信号 ....................27

§4.1.4 使入射光两次通过偏振分光镜 PBS1，在 PBS1反射方向接收拍频信号

........................................................ 29

§4.2 用参数未知的偏振分光镜 PBS2进行四组对比实验 ..................30

§4.2.1 在 PBS2透射方向接收拍频信号 ..............................30

§4.2.2 使入射光两次通过偏振分光镜 PBS2，在 PBS2透射方向接收拍频信号

........................................................ 31

§4.2.3 在 PBS2反射方向接收拍频信号 ..............................31

§4.2.4 使入射光两次通过偏振分光镜 PBS2，在 PBS2反射方向接收拍频信号

........................................................ 32

§4.3 实验结论 .................................................... 33

§4.4 误差分析 .................................................... 33

§4.5 本章小结 .................................................... 34

第五章总结 ......................................................... 35

§5.1 总结 ........................................................ 35

§5.2 进一步的工作 ................................................ 35

§5.3 展望 ........................................................ 35

参考文献 ............................................................ 37

在读期间公开发表论文和承担科研项目及取得的成果 ...................... 40

致谢 ............................................................... 41

第一章绪论

§1.1 引言

纳米技术作为 21 世纪一项重要的新兴技术，已成为国内外科学和工程技术领

域研究的热点。纳米技术涉及到材料学、机械学、微电子学、光学、生物与生命

科学等科学研究与工业应用领域，其目的是研究、发展和加工关键尺寸在 0.1 nm

到100 nm 范围的材料、装置和系统，以获得具有所需功能的产品。纳米技术主要

包括：纳米级测量技术，纳米级加工技术，纳米粒子的制备技术，纳米材料，纳

米生物学技术，纳米组装技术，纳米级表层物理力学性能的检测技术等。由于科

学技术的发展和工业需求及科研需求的推动，人们对测量的精度要求越来越高，

从而使得纳米级测量技术显得越发重要，它的主要内容包括纳米级精度尺寸测量

和纳米级表面形貌测量。

以干涉仪为代表的测量工具在现代测量中起着越来越重要的作用，特别是近

些年来激光技术飞速发展，它为纳米测量开辟了更好的前景。激光有很好的方向

性、相干性和单色性，是纳米测量的重要工具。因为激光干涉仪测量范围大，测

量分辨率和测量精度高，因而被广泛应用在精密及超精密测长领域。伴随着光学、

电子学和计算机技术的发展，数字电路技术及计算机软件使信号及数据处理更为

方便快捷，激光技术与电子领域和计算机领域的一些技术相结合，实现了激光干

涉仪对线速度、线位移等几何量的精密自动测量。此外，双频激光干涉仪有很高

的测量精度，很快的测量速度和抗干扰性强、溯源性强、重复性好等优点，是理

想的超精密位移测量仪器。它被广泛应用在微电子装备、纳米科学与技术、衍射

元件加工和仪器校准等超精密测量中，激光干涉仪已经成为纳米测量领域必不可

少的精密测量工具[1]。

§1.2 激光干涉测量技术

激光有单色性好、方向性好、亮度高、相干性强等独特优势，是普通光源无

法相比的，很多经典的长度测量方法都是以 He-Ne 激光器作为光源的。目前激光

干涉技术中应用最广的是单频干涉仪和双频干涉仪，他们都是基于迈克尔逊干涉

仪的。激光干涉仪一般由激光器、光路元件及信号处理系统等组成，它的发展有

如下特点[2~4]：

1．分辨率逐步提高。1965 年，当时只有单频激光干涉仪，它的分辨率为λ/8；

1970 年，人们发明出双频激光干涉仪，使分辨率提高到λ/16；然后从 1987 年至今

的三十余年中，激光干涉仪发展迅猛，分辨率从λ/512 提高到λ/4096，甚至还会更

高。

2．测量速度越来越快。随着纳米位移台等技术的发展，激光干涉仪可以允许

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摘要：

摘要由于激光干涉仪有很好的测量精度，利用电信号相位细分可以达到亚纳米的分辨率，它已成为科学研究和精密测量中广泛应用的工具，国内外也有很多公司开发了仪器出售。随着科学技术的不断进步，人们对纳米测量工具提出了更高的要求，为适应这些新的测量要求，双频激光干涉仪也必须提高其测量精度。然而，由于干涉仪光学系统的干涉臂中存在混频的原因，使测量信号出现一个附加相位误差，导致测得的信号相位位移与被测长度不是线性关系，这种随着被测长度以光波波长为周期变化的非线性误差，对干涉仪有效分辨率的造成的影响十分严重，误差范围一般在一、两个纳米到一、二十个纳米，甚至更高。为了提高激光干涉仪的测量精度，真正实现纳米测量，分析...

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