[發明專利]相位調制型正交偏振激光反饋光柵干涉儀及其測量方法

有效

• 申請號: 201810319638.X
• 申請日: 2018-04-11
• 公開（公告）號: CN108692663B
• 公開（公告）日: 2020-04-21
• 發明（設計）人: 郭冬梅;施立恒;孔令雯;王鳴
• 申請（專利權）人: 南京師范大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02;G01B9/02
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 朱小兵

本發明涉及一種用于二維測量的相位調制型正交偏振激光反饋光柵干涉儀及其測量方法，測量原理基于光柵衍射、光學多普勒效應、Lamb半經典理論和時域正交解調原理。雙折射雙頻氦氖激光器輸出的正交偏振光垂直入射至偏振分光棱鏡被分成兩束不同偏振方向的線偏振光，這兩束偏振光分別經過兩個不同的電光調制器后分別被反射鏡以±1級利特羅入射角入射到反射式衍射光柵上。衍射光分別沿各自的入射光返回激光腔內與腔內光發生自混合干涉。激光器后向輸出光經偏振片后只保留單模光，并被光電探測器接受，光電探測器輸出信號輸出至數據處理模塊進行數據處理，得到待測目標的二維位移。本發明具有結構簡單，測量范圍大、測量分辨率高等優點。

技術領域

本發明屬于精密位移測量技術領域，具體地涉及一種用于二維測量的相位調制型正交偏振激光反饋光柵干涉儀及其測量方法。

背景技術

納米測量是先進制造業發展的關鍵技術，也是整個納米科技領域的先導和基礎。隨著超精密加工和超微細加工技術的發展，對實時高精度二維定位系統的需求迅速增長。激光干涉儀和光柵干涉儀由于具有非接觸，高分辨率和寬動態測量范圍等優點而被廣泛用于高精度位移測量。通常，激光干涉測量法用于測量面外位移，而光柵干涉測量則用于測量面內位移。

目前能夠實現二維測量的解決方案中主要是通過使用兩組干涉儀、使用二維光柵和分光技術、或用反射光柵替換干涉儀的反射鏡來實現。使用兩組干涉儀是最直接的方法，但不能其同時性無法得到保證。基于二維衍射光柵的光柵干涉儀在同時高精度二維定位方面表現出良好的性能，但該系統是將光柵布置在反射面內，利用二維光柵實現面內的二維位移的測量，而二維光柵的制作成本十分昂貴。在一些特定應用場景中，例如基于探針的近場顯微鏡和光學成像，一種準共焦光路外差光柵干涉儀也可以實現高精度二維面內測量。近幾年，用反射光柵替換反射鏡的外差光柵的干涉儀得到了許多關注，它由一個參考光柵和一個測量光柵組成，可以同時測量面內和面外的位移。之后，很多基于這種方法的面內和面外位移測量系統被開發出來。但是，這類系統普遍面對兩個問題：當目標在平面外方向上移動一段距離時，這些系統的光路也將改變，導致檢測光與光電檢測器之間出現偏差。因此，平面外位移的測量通常用于給面內位移測量起補償作用；并且這些光路系統往往十分復雜，難于調整。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：

為了使二維微位移測量裝置具有大量程、高分辨率、且適用于工業現場測量，本發明提出一種相位調制型正交偏振激光反饋光柵干涉儀及其測量方法。

本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

提出一種相位調制型正交偏振激光反饋光柵干涉儀，它包括：雙折射雙頻氦氖激光器、沃拉斯頓棱鏡、第一電光調制器、第二電光調制器、電光調制器驅動器、第一平面反射鏡、第二平面反射鏡、反射式衍射光柵、偏振片、光電探測器和信號處理模塊A。

所述雙折射雙頻氦氖激光器發出正交偏振激光，經所述沃拉斯頓棱鏡被分成偏振方向不同的兩束激光，其中的水平偏振光經所述第一電光調制器，被所述第一平面反射鏡以+1級利特羅入射角入射到所述反射式衍射光柵，垂直偏振光經所述第二電光調制器，被所述第二平面反射鏡以-1級利特羅入射角入射到所述反射式衍射光柵；電光調制器驅動器輸出兩種不同頻率的電壓信號分別驅動兩電光調制器，并且將這兩種電壓信號對應的參考信號輸出至信號處理模塊A；激光入射到所述反射式衍射光柵產生的衍射光沿入射路徑返回所述雙折射雙頻氦氖激光器，與腔內光發生激光反饋干涉；所述偏振片置于所述雙折射雙頻氦氖激光器后向輸出光路上，所述光電探測器置于偏振片后方，光電探測器輸出至信號處理模塊A；

所述信號處理模塊A包括：運算放大器、第一帶通濾波器、第二帶通濾波器、第三帶通濾波器、第四帶通濾波器、數據采集卡和計算機；探測信號輸入至所述運算放大器，所述運算放大器將放大信號輸出至所述第一至第四帶通濾波器中，四個濾波信號同時輸出至所述數據采集卡，所述數據采集卡進行模數轉換后輸入所述計算機，由所述計算機處理后，得到待測位移。