外差干涉仪中偏振分光镜对测量精度的影响

为了提高激光外差干涉的测量精度,必须明确偏振分光镜(PBS)对激光外差干涉测量精度的影响.基于激光外差干涉非线性误差产生机理,建立了PBS对非线性误差一次谐波和二次谐波的综合影响模型.理论分析表明,选用偏振透射率稍弱、偏振反射率强的PBS有利于减小非线性误差.在激光器出射的两激光束存在5°非正交误差情况下,当PBS的反射率理想时,透射率从1减小到0.90,非线性误差由4.41 nm减小到4.19 nm.同时,通过调整旋转角度可以补偿非线性误差一次谐波.在PBS存在5°旋转角度误差情况下,当PBS的反射率理想时,PBS的透射率从1减小为0.90,非线性误差一次谐波从4.41 nm减小到2.56 nm.     

偏振分光镜旋转角度误差的确定

偏振分光镜存在旋转角度误差是引起激光外差干涉非线性误差的来源之一.提出了一种确定激光外差干涉偏振分光镜旋转角度误差的方法.通过分析偏振分光镜旋转角度误差在其它条件下对激光外差干涉非线性误差的影响,得出偏振分光镜存在的旋转角度误差将极大地增加非线性误差的一次谐波,但改变二次谐波很小.对光电接收器输出信号进行频谱分析,分离出激光外差干涉非线性误差的一次谐波和二次谐波,通过测量非线性误差二次谐波相对测量信号的大小,通过应用非线性误差二次谐波幅度比值与偏振分光镜旋转角度误差之间的模型,确定偏振分光镜旋转角度误差.实验结果表明,应用该方法能够得到偏振分光镜的旋转角度误差,从而为调整偏振分光镜提供了实验依据.     

外差干涉仪频率混叠误差分析

研究了激光外差干涉仪中存在的频率混叠现象、误差形成机理和变化规律,重点分析了在共光路外差干涉仪中由激光光源的椭圆偏振化和Ｗｏｌｌａｓｔｏｎ棱镜的安装方位角引起的频率混叠误差的大小及变化规律,对进一步提高共光路外差干涉测量精度具有现实意义。     

透射式外差椭偏测量及非线性误差分析

结合激光外差干涉法和透射式椭偏测量原理,研究了一种快速、高精度测量纳米厚度薄膜光学参数的方法．给出了光学系统设计和理论分析,使用两个声光调制器产生20kHz的差频,直接比较平行分量和垂直分量外差信号的幅值和相位,得到所需要的椭偏参数．光束偏振态的椭圆化及偏振分光不完全所引起的非线性误差是影响纳米薄膜测量精度的主要因素,推导出椭偏参数非线性误差的近似解析表达式,计算结果表明由此导致的膜厚测量误差可达几个nm,相对而言,激光器和反射镜等器件产生的光束椭偏化是其主要原因．     

偏振分光镜传输系数不等对非线性误差的影响

为了减小激光外差干涉非线性误差,必须考虑偏振分光镜透过率和反射率不等对非线性误差的影响。通过分析两臂透过率与反射率不等对测量信号的影响,推导出两臂反射率与透过率不等对激光外差干涉非线性误差一次谐波和二次谐波影响的理论模型。仿真结果表明,透过率与反射率不等将严重的影响非线性误差一次谐波的大小,当反射率为1而透射率由1变为0．85时,其非线性误差由0、56nm增加到2．03nm,同时非线性误差只是一次谐波和二次谐波的简单叠加。仿真结果表明调整偏振分光镜的旋转角度误差能够有效的消除两臂透过率与反射率不等对非线性误差的影响。为进一步指导调整减小或消除非线性误差提供了理论依据。     

高加速度超精密激光外差干涉测量模型

为了精确地描述激光外差干涉在高加速度超精密测量中加速度对位移测量精度的影响机理与规律,建立了高加速度超精密激光外差干涉位移测量模型.通过分析测量棱镜三维运动对多普勒频移的影响,推导出高加速度激光外差干涉位移测量模型.理论分析和仿真实验表明,当测量加速度为9m/s2,匀加速运行的位移为500mm时,由于加速度变化引起的相对论性效应对测量精度的影响为5nm.高加速度超精密激光外差干涉位移测量模型的建立,可提高激光外差干涉在高加速度超精密测量中的测量精度,为激光外差干涉在高速和超高速测量领域的应用提供了理论依据.     

移相干涉仪环境微扰的外差检测及信号处理

对环境微振动干扰进行补偿可减小移相干涉测量的误差,其中振动量的检测是实现振动补偿的前提。以声光调制器作为光学移频器,在移相式平面干涉仪中组合成外差干涉测振系统,可以实现光程差微小变化(范围为0到1/2波长)的实时检测。在外差信号处理中采用单片RF/IF相位测量芯片直接对两路40MHz模拟信号进行比相,简化了通常使用的数字测相方法,其精确测相的典型非线性值小于1度。用该系统实际测量了周期性振动和地面冲击振动对干涉仪的影响,获得了干涉仪所受微振动的幅度和相位。     

斜波调频合成外差干涉相位检测非线性分析

目的　分析半导体激光器斜波调频合成外差干涉拍频频率变化对干涉相位的影响 .方法　从频域用计算机进行理论上的仿真 .结果　拍频频率偏离斜波调制电流频率整数倍时 ,会产生随干涉相位输出以π为周期呈正弦变化的非线性误差 .结论　根据拍频频率的变化 ,动态调节调制电流幅度可消除该非线性误差     

纳米计量与分子坐标测量机系统设计（2）

NanmetrologyandMolecularMeasuringMachineSystemDesign（2）WangJia4分子测量机计量系统STM和AFM均不是计量型仪器，而是作为位置传感器。分子坐标测量机必须采用能够溯源的超高分辨率激光外差干涉仪作为测量参考基准，并测量探针和样品之间的相对运动。激光外差可采用塞曼频率分裂，多模激光器或声光电光调制原理。干涉仪采用了光学8倍频。用相位计从时间间隔分析器中计算相位，其时间分辨率为200pa，电子细分技术实现1000细分。干涉仪的分辨率为0．075um。获得高精度的主要障碍是激光器和干涉仪光学元件中偏振态混合效应和非线性…     

单频激光干涉仪非线性误差修正方法

提出了一种谐波分离的干涉仪信号处理方法,利用傅里叶级数对校准信号进行最小二乘拟合得到修正模型.该方法适合于消除干涉信号中引起非线性误差的各种谐波成分.通过将修正分为初始相位计算和精确相位计算,可以使单频激光干涉仪的非线性误差修正达到最优化.模拟验证结果表明,当噪音信号幅度为基波信号幅度的5%时,残余误差的幅度约为±1 nm;而当噪音为0.5%时,残余误差约为±0.1 nm.     

基于光路折叠的室内基线场误差分析方法研究

为了有效开展长距离光电测距类仪器的室内检定工作,在50m高精度导轨上利用1组平面反射镜进行光路折叠,搭建了100m室内基线场。对基线系统的测量误差进行了分析,考虑各项误差的调整精度,将误差分析结果应用到实际光路调整过程中,分析得到对基线长度影响更显著的误差量,并对其进行了控制和调整,提高测量光路的平行性调整精度,最后选择双频激光干涉仪作为长度基准开展验证实验。实验结果表明:通过光路折叠方法可以实现2倍光程倍增,基线系统的精度较高,可进行连续测量,有效地解决了室内基线建立过程中所存在的检测效率低、可重复性差等技术问题。     

Heterodyne interferometer with subatomic periodic nonlinearity

A new, to our knowledge, heterodyne interferometer for differential displacement measurements is presented. It is, in principle, free of periodic nonlinearity. A pair of spatially separated light beams with different frequencies is produced by two acousto-optic modulators, avoiding the main source of periodic nonlinearity in traditional heterodyne interferometers that are based on a Zeeman split laser. In addition, laser beams of the same frequency are used in the measurement and the reference arms, giving the interferometer theoretically perfect immunity from common-mode displacement. We experimentally demonstrated a residual level of periodic nonlinearity of less than 20 pm in amplitude. The remaining periodic error is attributed to unbalanced ghost reflections that drift slowly with time.     

基于误差相消原理的光程倍增测量方法

针对大尺寸激光测距类仪器的量值溯源问题,研究了一种基于误差相消原理光程倍增的长距离测量方法,建立具有误差相消特性的测量模型,系统实现了4倍光程倍增,具有倍程结构简单、测量准确度高、测量稳定性好、连续测量等特点。实验复现了室内13m的虚拟长度基线,验证了测量方法的可行性,该方法有望将中远距离的基线场测距缩短至室内完成,将大空间的室内长距离测量缩短至小空间内的短距离测量。     

波片和偏振片对外差干涉仪非线性的影响

为了减小外差干涉仪的非线性误差,必须明确波片和偏振片对非线性误差的影响机理。通过理论分析和试验发现,波片和偏振片位于偏振分光镜之前和之后对非线性的影响是不同的。如果把有误差的波片和偏振片放置在偏振分光镜前面,其误差将100%地引入非线性。如果将相同的这些光学元件安装在干涉仪里面,有可能影响非线性,但通常在高阶误差范围内。     

Analytical modeling of the periodic nonlinearity in heterodyne interferometry

The periodic nonlinearity that arises from nonideal laser sources and imperfections of optical components limits the accuracy of displacement measurements in heterodyne interferometry at the nanometer level. An analytical approach to investigating the nonlinearity is presented. Frequency mixing, polarization mixing, polarization-frequency mixing, and ghost reflections are all included in this investigation. A general form for the measurement signal, including that of the distortions, is given. The analytical approach is also applicable to homodyne interferometry.     

外差激光干涉仪非线性的细分和消除

通过理论推导得到一个消除外差激光干涉仪非线性的理论,只要改变干涉仪的结构,也就是增加光程倍数,就可以减小激光干涉仪的非线性误差。实验证明,这个方法可以有效地减小双频激光干涉仪的各种非线性误差,不论这个误差是一阶的还是二阶的,也不论是什么原因引起的。它不仅适应于科学实验研究,而且也适应于工业精密测量应用,对纳米测试技术的发展具有实际意义。     

收发分体式四自由度激光测量系统耦合误差建模与补偿

线性导轨广泛应用于精密机床和仪器,其运动精度直接影响所在设备的空间定位精度。针对团队前期研制的收发分体式四自由度激光测量系统可以测量导轨直线度、俯仰角和偏摆角,但其直线度与角度测量结果间存在耦合干扰问题,提出了一种误差建模与补偿方法。根据激光测量系统的原理和结构,分析并确定了耦合误差的主要来源,利用矩阵光学及齐次坐标变换的方法建立了耦合误差的补偿模型。以雷尼绍XL-80型激光干涉仪为基准,对所建立的误差补偿模型进行了实验验证,结果表明:利用所建模型补偿后的直线度和角度测量误差均降低了75%以上。所提出的误差建模与补偿方法不但有助于提高四自由度激光测量系统的精度,同时也有助于降低其成本。