[發明專利]基于陣列式探測器的單光束三自由度外差激光干涉儀

有效

• 申請號: 202110252682.5
• 申請日: 2021-03-09
• 公開（公告）號: CN112857210B
• 公開（公告）日: 2023-03-17
• 發明（設計）人: 于亮;蘇曉博;林雄磊;胡鵬程
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01B9/02
• 分類號: G01B9/02;G01B11/26
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

基于陣列式探測器的單光束三自由度外差激光干涉儀屬于激光應用技術領域；本發明將共軸傳輸且頻率不同的兩個激光光束輸入至邁克爾遜干涉結構，通過設置參考平面反射鏡的角度使得測量光束和參考光束非共軸干涉并形成單光束外差干涉信號，選用陣列式探測器有效接收單光束外差干涉信號，最終通過三自由度解耦方法對單光束外差干涉信號實現三自由度信號線性解耦。本發明所述的激光干涉儀不存在角度解耦非線性，顯著降低了周期非線性誤差，相比于其他現有三自由度激光干涉儀同時兼具結構簡單、角度測量范圍大和易于集成的優點，滿足了三自由度激光干涉儀對位移及角度測量的高精度需求。

技術領域

本發明屬于激光應用技術領域，主要涉及一種基于陣列式探測器的單光束三自由度外差激光干涉儀。

背景技術

激光干涉測量技術是精密工程中的基礎核心技術，在精密計量、高端裝備制造以及大科學裝置等領域發揮著十分重要的作用。隨著上述領域近年來的飛速發展，不僅需要位移測量的精度從納米量級提升至亞納米乃至皮米量級，同時也需要位移測量的形式從單軸線位移測量轉變為多軸線/角位移三自由度復合測量。

目前，在多軸激光干涉測量領域使用最廣泛的是基于平行光束測量的激光干涉儀。基于平行光束測量的激光干涉儀按原理可分為零差/外差激光干涉測量，通常以三軸(或多軸)相互平行的測量光束同時測量被測目標的不同部分，每一軸的測量光束均實現單軸位移測量，且測量光斑在被測目標面按照“品”字型或“L”型等方式排列。由每個測量軸得到的位移結果可解算出被測目標的三自由度信息，包括位移、偏擺角和俯仰角。

在激光干涉儀眾多誤差源中，周期非線性誤差是限制激光干涉儀突破納米精度的主要瓶頸。Heydemann橢圓擬合修正方法可將零差激光干涉儀的周期非線性誤差抑制到亞納米量級(Collett M.J.,Tee G.J.Ellipse Fitting for Interferometry.Part 1:Static Methods[J].J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis,2014,31(12):2573-2583)，與多軸激光干涉測量的深亞納米/皮米級精度需求仍有差距。消除光學混疊的非共光路外差干涉結構可將外差激光干涉儀的周期非線性誤差抑制到深亞納米量級，其中將周期非線性誤差抑制在10pm左右的有哈爾濱工業大學的胡鵬程等人提出的非共光路外差干涉結構(FuH.,Wu G.,Hu P.,et al.Highly Thermal-Stable Heterodyne InterferometerwithMinimized Periodic Nonlinearity[J].Appl Opt,2018,57(6):1463-1467)以及德國PTB的Weichert等人提出的非共光路外差干涉結構(WeichertC.,P.,R.,etal.A Heterodyne Interferometer with Periodic Nonlinearities Smaller Than±10pm[J].Measurement Science and Technology,2012,23(9):094005)，但非共光路外差干涉結構元件組成復雜，其原理導致輸入光束的數量比傳統共光路外差干涉結構多一倍，在多軸的位移和角度測量中均會耦合疊加各測量軸的周期非線性誤差，故目前僅應用于單軸測量。

除此以外，基于平行光束的激光干涉儀一般采用傳統的棱鏡組逐級分光，其設計和加工難度極大，其分光過程中的平行度誤差會隨著入射光束數量的增加而累積。Keysight(原Agilent)、Zygo等少數激光干涉儀龍頭企業掌握了利用棱鏡組逐級分光實現的高精度平行分光技術，并在此基礎上研制了單體式多軸干涉鏡組。Keysight公司的單體三軸干涉鏡組光軸平行度高達25μrad，但單體五軸干涉鏡組光軸平行性即已降低為100μrad。此外，當測量距離較大時，空氣中的湍流還會對每軸測量光束造成不同程度的擾動，影響位移和角度的測量穩定性。