双频干涉仪中偏振分光镜的研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 895.62KB 46 页 15积分

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摘要

激光干涉仪已成为精密测量中广泛应用的工具,国内外许多公司都有商品化

仪器出售。但是，随着科学技术的不断进步，人们对测量工具提出了更高的要求。

为适应新的测量要求，双频干涉仪也必须向高精度方向发展。然而，当测量要求

提升到纳米精度和纳米溯源的高度时，双频干涉仪中混频现象引起的非线性误差

受到了高度重视。因为其限制了干涉仪有效分辨率的提高，造成的影响十分严重。

因此，为了提高干涉仪的测量精度，真正实现纳米溯源测量，研究和解决非线性

误差的问题就成为当前的重要研究课题之一。

本课题是国家自然科学基金项目“纳米干涉测长中的非线性问题研究”的一

个重要组成部分。其目的是研究双频干涉仪中偏振分光镜所引起的混频现象，并

分析这些混频现象对非线性误差的影响。偏振分光镜是基于布儒斯特定律设计而

成的。当双频正交线偏振光以布儒斯特角入射到偏振分光镜时，两个频率的光会

完全分开。然而受棱镜制造工艺水平达不到要求、薄膜密度不均、检测和安装精

度不高等原因的影响，双频光在通过偏振分光镜之后两个频率并没有完全分开，

从而产生了混频现象。

本论文分析了双频正交线偏振光通过偏振分光镜时产生混频现象的种类和原

因以及如何区分各种混频现象，并研究能否消除其对非线性的影响。论文由以下

几个方面构成：

首先，创新性地建立偏振分光镜引起混频现象的理论模型，分析偏振分光镜

引起混频现象的各种类型，并研究各种混频现象可能存在的前提和条件。

其次，实验证明。设计实验光路，利用实验验证这些混频现象的存在，并加

以区分；

最后，误差分析。对这些混频现象进行研究，分析能否消除其对非线性误差

的影响。

关键词:双频干涉仪偏振分光镜布儒斯特角

ABSTRACT

The heterodyne laser interferometers have recently become widespread in

precision measurements, and are available from many companies. As a result of

advances in precision engineering, optics, electronics, and so on, the requirements for

precise measurement have become higher and higher. However, the precision of the

interferometers is limited by its non-linearity resulted from frequency mixing. In order

to improve the measuring accuracy of the heterodyne laser interferometers, research of

non-linearity becomes more important.

This research is one part of a National Science Foundation’s project

——“Research on Non-linearity in Laser Interferometer for Length Measurement”. It

focuses on the influence of frequency mixing when the 2 linear polarized beams go

through a polarization beam splitter in the heterodyne laser interferometers.

A polarization beam splitter is designed on the basis of Brewster law. However,

the manufacture technology can not always meet the requirements. When the two

orthogonal linearly polarized beams went through a polarization beam splitter, it did not

completely separated and frequency mixing appeared.

This paper analyzes the types and the reason of the frequency mixing and how to

examine and distinguish them. The paper includes following sections：

First is the establishment of theoretical modeling of frequency mixing caused by

polarization beam splitter. Except of the leakage, the paper shows that there is also the

frequency mixing that the polarization directions of two frequency beams are coincident.

And it analyses the conditions of these frequency mixings.

Secondly, designing experiments to verify the existence of frequency mixing and

distinguish it each other.

Third, analysis of the effect of these frequency mixing and whether the

non-linearity caused by these frequency mixing can be eliminated

Key words: Heterodyne Laser Interferometer, Polarizing Beam

Splitter, Brewster angle.

中文摘要

ABSTRACT

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

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

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

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

§1.2.2 双频激光干涉仪的特点 .................................. 3

§1.3 双频激光干涉仪的非线性误差 .................................. 4

§1.3.1 非线性产生的原理 ...................................... 4

§1.3.2 影响非线性的因素分析 .................................. 7

§1.4 双频干涉仪非线性研究的国内外发展现况 ........................ 8

§1.5 课题来源及意义 .............................................. 9

§1.6 本文主要研究工作 ............................................ 9

第二章偏振分光镜的原理及制造工艺 .................................... 11

§2.1 布儒斯特定律 ............................................... 11

§2.1.1 光的折射和反射 ....................................... 11

§2.1.2 布儒斯特定律 ......................................... 11

§2.2 偏振分光镜 ................................................. 12

§2.2.1 偏振分光镜的设计 ..................................... 12

§2.2.2 布儒斯特条件的考虑 ................................... 13

§2.2.3 膜层厚度条件 ......................................... 14

§2.2.4 提高反射光偏振度的措施 ............................... 14

§2.3 偏振分光镜的制造 ........................................... 14

§2.3.1 直角棱镜的加工 ....................................... 14

§2.3.2 镀制工艺及性能测试 ................................... 15

§2.3.3 偏振分光镜的胶合 ..................................... 16

§2.3.4 偏振分光镜的性能参数 ................................. 16

§2.4 偏振分光镜引起的混频现象 ................................... 17

§2.4.1 入射面平行于参照面、入射角等于布儒斯特角时产生的混频现象

............................................................. 19

§2.4.2 入射面平行于参照面、入射角不等于布儒斯特角时产生的混频现

象 ........................................................... 19

§2.4.3 入射面不平行于参照面、入射角等于布儒斯特角时产生的混频现

象 ........................................................... 20

§2.4.4 入射面不平行于参照面、入射角不等于布儒斯特角时产生的混频

现象 ......................................................... 22

§2.5 小结 ....................................................... 22

第三章实验的整体设计和研究 .......................................... 23

§3.1 入射面平行于参照面、入射角等于布儒斯特角时产生的混频现象 ... 23

§3.1.1 满足情况一的光路调整 ................................. 24

§3.1.2 验证情况一时混频现象的存在性 ......................... 25

§3.1.3 情况一时混频现象对非线性误差的影响 ................... 26

§3.1.4 实验结论 ............................................. 27

§3.2 入射面平行于参照面、入射角不等于布儒斯特角时产生的混频现象 . 28

§3.2.1 满足情况二的光路调整 ................................. 28

§3.2.2 验证情况二时混频现象的存在性 ......................... 28

§3.2.3 情况二时混频现象对非线性误差的影响 ................... 29

§3.2.4 实验结论 ............................................. 31

§3.3 入射面不平行于参照面、入射角等于布儒斯特角时产生的混频现象 . 31

§3.3.1 满足情况三的光路调整 ................................. 32

§3.3.2 验证情况三时混频现象的存在性 ......................... 33

§3.3.3 情况三时混频现象对非线性误差的影响 ................... 34

§3.3.4 实验结论 ............................................. 36

§3.4 入射角面不平行于参照面、入射角不等于布儒斯特角时产生的混频现象

................................................................ 36

§3.5 本章小结 ................................................... 37

第四章总结与展望 .................................................... 38

§4.1 本文总结 ................................................... 38

§4.2 课题的进一步工作 ........................................... 38

§4.3 展望 ....................................................... 39

参考文献 ............................................................ 41

在读期间公开发表论文和承担科研项目及取得的成果 ...................... 43

致谢 ............................................................... 44

第一章绪论

§1.1 引言

现代精密测量技术是一门集光学、电子、传感器、图像、制造及计算机技术

为一体的综合性交叉学科，涉及广泛的学科领域，它的发展需要众多相关学科的

支持。在现代工业制造技术和科学研究中，测量仪器具有精密化、集成化、智能

化的发展趋势。随着现代化的工业生产、科学技术和国防建设的飞跃发展，无论

是元器件的生产还是机器的安装，对精密度的要求越来越高，因此，精密测量的

工作也就显得越来越重要。同时，作为本世纪的重点发展目标，各国在微/纳米测

量技术领域开展了广泛的应用研究。

随着人们对位移测量、定位和标定的精度提出越来越高的要求，一般的机械

测量方法己经不能满足精密测量日益发展的要求。因此，各国工业研究部门和计

量测试部门都投入了大量的资金和人力，致力于新的工艺技术、检测技术以及新

型器件的研究，以推动高科技产品的迅速商品化，提高竞争力。在科学技术和工

业生产需求的推动下，激光技术日益成熟，为精密测量开辟了新的前景。由于激

光具有方向性、单色性、相干性好等优点，使得它在现代精密测量中占有十分重

要的地位。激光技术的应用赋予古老的度量学以新的活力，它改变了传统的测量

手段，提高了测量精度和准确度。尤其是 He-Ne 激光器的问世以来，激光干涉仪

以其特有的大测量范围、高分辨率和高测量精度等优点，在精密和超精密测长领

域获得了广泛的应用。伴随着电子学和光学的发展，数字电路和微机技术的应用

为测量中的信号自动处理和数据处理创造了方便条件，激光技术和微机技术的结

合，使激光干涉仪实现了对线位移、线速度等几何量精密测量的自动化，因此，

激光干涉仪已成为精密机械工业不可缺少的测量工具[1]。

§1.2 双频激光干涉测量技术

与普通光源相比，激光具有独特的优越性，它具有单色性好、相干性强、方

向性好和亮度高等特点，这些特点是普通光源所达不到的。以 He-Ne 激光器作为

光源的激光干涉法己成为一种经典的长度计量方法。目前应用最广的是基于迈克

尔逊干涉仪的单频或双频干涉仪。

激光干涉仪系统主要由以下部分组成：

He-Ne 激光器（有时称为激光头）、稳

频器；各种光路元器件；信号处理及控制子系统等。当前激光干涉仪的发展己经

出现了以下一些特点[2~4]：

1．高分辨率。自从 He-Ne 激光器问世以来，激光干涉仪的发展经历了以下几

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摘要：

摘要激光干涉仪已成为精密测量中广泛应用的工具,国内外许多公司都有商品化仪器出售。但是，随着科学技术的不断进步，人们对测量工具提出了更高的要求。为适应新的测量要求，双频干涉仪也必须向高精度方向发展。然而，当测量要求提升到纳米精度和纳米溯源的高度时，双频干涉仪中混频现象引起的非线性误差受到了高度重视。因为其限制了干涉仪有效分辨率的提高，造成的影响十分严重。因此，为了提高干涉仪的测量精度，真正实现纳米溯源测量，研究和解决非线性误差的问题就成为当前的重要研究课题之一。本课题是国家自然科学基金项目“纳米干涉测长中的非线性问题研究”的一个重要组成部分。其目的是研究双频干涉仪中偏振分光镜所引起的混频现象，并...

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