低非线性误差的位移测量干涉仪制造技术

本发明专利技术提供了一种使引入位移测量的非线性误差最小的干涉仪。在一种实施例中，通过在参考光束和测量光束各自通往检测器的大部分光路上将它们隔离开来，并通过对输入干涉仪的每个光束使用单独的分振幅非偏振分束器，减小了非线性误差。此外，干涉仪可调整到任意数目的光轴或输入。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及低非线性误差的位移测量干涉仪。
技术介绍
位移测量干涉仪(“DMI”)是本领域熟知的，并且用于以高精度和分辨率水平测量小位移和长度已有数十年。在这些设备中，氦氖位移测量激光干涉仪由于其高度的稳定性和单色性而得到了比较普遍的应用。干涉仪需要对反射镜进行仔细的对准，这种对准必须长期维持，但是这可能存在相当大的实际困难。通过两次经过干涉仪的每个臂并在两次经过之间加入对波前进行倒转的装置，双程DMI对反射镜失调表现出部分的不敏感性。参见例如S.J.Bennett的“A Double-Passed Michelson Interferometer”，OpticsCommunications，Volume 4，Number 6，February/March，1972，其中用偏振分束器、两个四分之一波片和一个用作倒转元件的角隅反射器实现了两次经过。因此Bennett的前述论文的全部内容通过引用而结合于此。由于其商业上的活力、鲁棒性、稳定性和精度，双程位移测量干涉仪在高精度位移测量中得到了相当普遍的使用。尽管在DMI领域已经普遍取得了许多进步，但是仍然存在测量误差和不准确性。在对这种误差和不准确性有贡献的因素中，包括了对准误差和程长误差、光学混合、热效应、偏振态泄漏(或者测量光束与参考光束的无意混合)、衍射引起的条纹、相位与位移之间的非线性关系、以及其他误差。参见例如Norman Bobroff的“Recent Advances in DisplacementMeasuring Interferometry”，Meas.Sci.Technol.4(1993)，907-926，以及Schmitz和Beckwith的“An Investigation of Two Unexplored Periodic SourceErrors in Differential-Path Interferometry”，Precision Engineering，27(2003)，311-322，其中详细讨论了这些因素中的一些。因此Bobroff和Schmitz等人的前述论文各自的全部内容通过引用而结合于此。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，将参考光束和测量光束以非同轴方式彼此平行地导入干涉仪的光学部分从而降低衍射引起的误差，各光束彼此不是环形地间隔开的。根据本专利技术的另一个方面，将参考光束和测量光束在它们各自的大部分光路上彼此隔离开并传送到空间分离的分振幅偏振或非偏振输入菱体，以减小干涉效果和伴随的非线性。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种干涉仪，它可以以紧凑的形式调整到任意数目的光轴。在本专利技术的另一个方面，提供了一种干涉仪组件，它将测量光束与参考光束重新合并但不对这些光束进行分光，因此参考光束在通往检测器的路径上没有相位改变或只有最小程度的相位改变。附图说明图1示出示出现有技术的线性位移测量干涉仪的框图；图2示出示出本专利技术的线性位移测量干涉仪的一种实施例的框图；图3示出本专利技术的分振幅非偏振分束器的一种实施例，以及经过它的具有频率f1的参考光束所采用的光路；图4示出本专利技术的分振幅非偏振分束器的一种实施例，以及经过它的具有频率f2的测量光束所采用的光路；图5示出本专利技术的双程位移测量干涉仪的一种实施例，以及经过它的参考光束和测量光束所采用的光路；图6示出本专利技术的隔离器和干涉仪的一种实施例；图7示出本专利技术的光纤隔离器和干涉仪的另一实施例；并且图8示出本专利技术的某些实施例中，由光源10发射的本地振荡器光束和探测光束是如何在干涉仪或干涉测量系统中混合以分别提供参考光束测量光束的。具体实施例方式图1示出现有技术的线性位移测量干涉仪的框图。双频塞曼氦氖激光源10产生并发射具有频率f1和f2的第一和第二光束，其中第一光束具有第一圆偏振态，第二光束具有与第一偏振态不同的第二圆偏振态(下文称为“光束f1和f2”)。从光源10发射的光束f1和f2通常分别是右旋和左旋偏振的。两个激光模式在光源10的腔内受到放大，所述两个模式对应于两种偏振态。在塞曼分裂激光器中，两个偏振态是圆偏振并具有相反旋向的。望远镜15提供了用于对光源10发射的光束f1和f2进行扩束和准直，以便传送到干涉测量系统的其余部分的手段。接下来，光束f1和f2经过四分之一波片20，它们在该处从圆偏振态转换为线偏振态，然后被导向非偏振的分束器30。(注意图1中未示出用于将线偏振光束与偏振分束器204或者说“PBS 204”的入射面正确对准的装置)。一旦线偏振光束与干涉仪40的偏振分束器204的入射面正确对准，则光束f1被透射到测量角隅110，而光束f2被反射到参考角隅100。在光束f1和f2从它们各自的角隅100和110后向反射之后，光束f1和f2在偏振分束器(或者“PBS 204”)处重新合并。干涉仪40接收线偏振光束f1和f2的透射部分，然后将这些光束各自的部分导向参考角隅100和测量角隅110。从参考角隅100和测量角隅110反射的光束f1和f2被导向为经过45度偏振器120。第一和第二45度偏振器90和120分别对测量和参考光束f1和f2进行重新合并。来自相位检测器130和140的输出输入到锁相环检测器150和160，它们一起产生一个差Δf，根据这个差确定测量角隅110移动的位移。重新合并的光束f1和f2经过偏振器120，它使两个正交偏振的光束之间产生干涉。得到的干涉光束由偏振器120透射到光电二极管140用于检测。得到的干涉光束的频率对应于测量角隅110相对于参考角隅110沿着测量光束轴线的相对速度。干涉光束的相位对应于测量角隅110沿着参考光束轴线的相对位置。接着参考图1，在从四分之一波片20射出时，每个光束f1和f2的一部分透射穿过干涉仪40方向上的分束器30(它是干涉仪系统的光学部分)。每个光束f1和f2的剩余部分朝向非偏振分束器50和第一45度偏振器90反射。液晶偏振器60、功率检测器70和激光调谐伺服机构80组成反馈控制装置用于监视并控制激光源10输出的一致性。为了稳定，用根据光源10产生的两个激光模式功率差的反馈对光源10的激光腔进行温度控制。经过非偏振分束器30和50发送的部分光束被导向液晶偏振器60，它交替地透射具有第一和第二偏振态的光。光电二极管70测量随时间的功率差并将这些信息提供给激光调谐伺服机构80。图1以及此处所附的说明书说明了Agilent的10705型线性干涉仪的各个方面。10705线性干涉仪具有单块的设计和结构。注意在本说明书、附图和权利要求中以及对DMI、DMI的一部分或DMI系统的讨论、描述和/或权利要求的上下文中使用的术语“单块”表示干涉仪至少具有偏振或非偏振的分束器子组件以及至少一个角隅的、输入的、输出的、反射的或后向反射的菱体子组件，所述分束器子组件包括玻璃或光学上等效的材料，所述菱体子组件也包括玻璃或光学上等效的材料，其中所述的分束器和所述的至少一个角隅的、输入的、输出的、反射的或后向反射的菱体子组件在实体上彼此位置相近，并且用粘性的、机械的、化学的、电磁的和/或磁性的装置彼此直接连接，使得干涉仪的光学部分(不包括DMI或DMI系统的光源、检测器或者测量角隅或平面反射镜)形成单一的组件。下列美国专利中公开了图1所图示的DM本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单块干涉仪组件，包括：第一输入菱体子组件，所述第一输入菱体子组件具有第一输入表面和第一输出表面，在它们之间设置第一分振幅非偏振界面；第二输入菱体子组件，所述第二输入菱体子组件具有第二输入表面和第二输出表面，在它们之间设置 第二分振幅非偏振界面；偏振分束器子组件，所述偏振分束器子组件包括至少第一面、第二面和第三面并具有位于它们之间的偏振分束器界面；其中所述第一输入菱体子组件的第一输出表面安装到所述偏振分束器子组件的第一面，所述第二输入菱体子组件 的第二输出表面安装到所述偏振分束器子组件的第二面，所述输入菱体和所述偏振分束器子组件彼此设置并安装使得分别具有第一频率和第二频率的第一光束和第二光束可以分别经过所述第一输入表面和所述第二输入表面空间分离地进入所述干涉仪组件，所述第一分振幅非偏振界面和所述第二分振幅非偏振界面对所述第一光束和所述第二光束进行分光。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：威廉克莱施卢赫特尔，罗伯特托德贝特，
申请(专利权)人：安捷伦科技有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]