一种完全等光程外差激光干涉仪及其测量方法

本发明属于光学测量，具体涉及一种完全等光程外差激光干涉仪及其测量方法。

背景技术：

1、近年来随着超精密加工制造及精密计量等领域的快速发展，位移测量精度需求逐渐由纳米量级向亚纳米甚至皮米量级过渡。非共光路外差干涉光路由于解决了传统共光路外差干涉光路中几纳米至十几纳米的周期非线性误差，已然成为下一代干涉仪的发展方向。然而，非共光路干涉结构的光路更复杂且参考光与测量光光程更难平衡，这导致其比传统共光路干涉结构更容易受到温度的影响，此时干涉仪热稳定性成为制约非共光路外差干涉仪测量精度进一步提高的关键因素。

2、非共光路外差干涉仪的测量光与参考光非完全等光程导致其受温度变化产生热漂移误差，制约其测量精度。国内外学者相继研发了不同类型的近等光程外差干涉仪，相比传统的外差激光干涉仪，它们的热稳定性提高，但考虑到光程的平衡性、干涉仪的高度集成性等需求，目前非共光路外差干涉仪仍存在一定的局限性。

技术实现思路

1、本发明要解决的问题是克服现有的非共光路外差激光干涉仪均难以满足光程完全平衡、简单集成需求的问题，提出一种完全等光程外差激光干涉仪及其测量方法。

2、为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、一种完全等光程外差激光干涉仪，包括偏振分光棱镜、角锥棱镜、四分之一波片、第一补偿玻璃、第一二分之一波片、第一koester棱镜、第一偏振片，第二二分之一波片、第二补偿玻璃、第二koester棱镜、第二偏振片、第一光电探测器、第二光电探测器、第二反射镜、第一反射镜；

4、所述偏振分光棱镜的上侧端面贴附有角锥棱镜，所述偏振分光棱镜的下侧端面贴附有四分之一波片，所述偏振分光棱镜的左侧端面贴附有第一补偿玻璃、第一二分之一波片，所述第一补偿玻璃位于第一二分之一波片上方，所述偏振分光棱镜的右侧端面并列贴附有第二补偿玻璃、第二二分之一波片，所述第二二分之一波片位于第二补偿玻璃的上方；

5、所述第一补偿玻璃、第一二分之一波片的左侧贴附有第一koester棱镜，所述第一koester棱镜的出光面贴附有第一偏振片；

6、所述第二补偿玻璃、第二二分之一波片的右侧贴附有第二koester棱镜，所述第二koester棱镜的出光面贴附有第二偏振片；

7、所述四分之一波片的输出光路上设置有第二反射镜、第一反射镜；

8、所述第一偏振片的输出光路上设置有第一光电探测器，所述第二偏振片的输出光路上设置有第二光电探测器。

9、进一步的，所述第一补偿玻璃、第二补偿玻璃、第一二分之一波片和第二二分之一波片尺寸相同；所述第一补偿玻璃和第二补偿玻璃关于偏振分光棱镜成中心对称设置；所述第一二分之一波片和第二二分之一波片关于偏振分光棱镜成中心对称设置。

10、进一步的，所述偏振分光棱镜的透射光偏振方向为垂直方向，反射光偏振方向为水平方向；所述第一偏振片和第二偏振片的偏振轴方向均与水平方向成45°夹角；所述四分之一波片的快轴方向与水平方向成45°夹角；所述第一二分之一波片和第二二分之一波片的快轴方向与水平方向成45°夹角。

11、进一步的，激光光源同时向偏振分光棱镜发射两束不同频率的空间分离光束：频率为f1的第一输入光束和频率为f2的第二输入光束，第一输入光束和第二输入光束均为圆偏振光并且入射方向垂直于偏振分光棱镜，第一输入光束和第二输入光束在完全等光程外差激光干涉仪中的行进路径长度相等。

12、进一步的，所述第二反射镜、第一反射镜为镀反射膜的平面镜，在进行测量时第一反射镜和第二反射镜保持相对运动或静止。

13、一种完全等光程外差激光干涉仪的测量方法，依托于所述的一种完全等光程外差激光干涉仪实现，包括如下步骤：

14、s1.开启激光光源，激光光源同时发射第一输入光束、第二输入光束；

15、第一输入光束入射到偏振分光棱镜后，得到的透射光束形成第一参考光束、反射光束形成第一测量光束；

16、第二输入光束入射到偏振分光棱镜后，得到的透射光束形成第二参考光束、反射光束形成第二测量光束；

17、s2.第一参考光束透射到第二二分之一波片后偏振方向旋转90°进入第二koester棱镜；第二参考光束透射过第二补偿玻璃进入第二koester棱镜；两束参考光束重合后透射过第二偏振片发生干涉，形成最终参考光束；

18、s3.第一测量光束经过偏振分光棱镜反射后透射过四分之一波片，然后在第一反射镜发生发射，携带多普勒频移信息再次透射过四分之一波片，再经偏振分光棱镜透射后经过角锥棱镜反射，再次透射过偏振分光棱镜与四分之一波片，然后在第一反射镜发生发射，携带双倍多普勒频移信息再次透射过四分之一波片并被偏振分光棱镜反射，反射光束透射过第一二分之一波片，然后进入第一koester棱镜；

19、第二测量光束经过偏振分光棱镜反射后透射过四分之一波片，偏振方向发生改变，然后在第二反射镜发生发射，携带多普勒频移信息再次透射过四分之一波片，偏振方向再次发生改变，经偏振分光棱镜透射后经过角锥棱镜反射，再次透射过偏振分光棱镜与四分之一波片，然后在第二反射镜发生发射，携带双倍多普勒频移信息再次透射过四分之一波片并被偏振分光棱镜反射，反射光束透射过第一补偿玻璃，进入第一koester棱镜；

20、两束测量光束重合，然后透射过第一偏振片，发生干涉，形成最终测量光束；

21、s4.第一光电探测器接收最终测量光束获得测量干涉信号，第二光电探测器接收最终参考光束获得参考干涉信号，测量干涉信号、参考干涉信号经过信号处理，得到第一反射镜与第二反射镜之间的相对位置变化信息。

22、进一步的，第一测量光的光程lm1的表达式为：

23、lm1＝lpbs+lqwp+lqwp+lpbs+lrr+lpbs+lqwp+lqwp+lpbs+lhwp1+lkoester1+lpol1

24、第二测量光光程lm2的表达式为：

25、lm2＝lpbs+lqwp+lqwp+lpbs+lrr+lpbs+lqwp+lqwp+lpbs+lgc1+lkoester1+lpol1

26、其中，lpbs为偏振分光棱镜光程，lqwp为四分之一波片光程，lrr为角锥棱镜光程，lhwp1为第一二分之一波片光程，lkoester1为第一koester棱镜光程，lpol1为第一偏振片光程，lgc1为第一补偿玻璃光程；

27、由lm1和lm2的表达式可知，两束测量光的光程完全相同；

28、第一参考光光程lr1的表达式为：

29、lr1＝lpbs+lhwp2+lkoester2+lpol2

30、第二参考光光程lr2的表达式为：

31、lr2＝lpbs+lgc2+lkoester2+lpol2

32、其中，lhwp2为第二二分之一波片光程，lkoester2为第二koester棱镜光程，lpol2为第二偏振片光程，lgc2为第二补偿玻璃光程；

33、由lr1和lr2的表达式可知，两束参考光光程完全相同；

34、测量过程中，第二反射镜、第一反射镜发生相对位移，其中第一反射镜移动的光程为lm1，第二反射镜移动的光程为lr1，则测量过程中产生的光程差的表达式为：

35、δl＝lm1-lr1

36、基于第一光电探测器与第二光电探测器探测到的干涉信号经信号处理后得到的相位差为则完全等光程外差激光干涉仪测得第二反射镜、第一反射镜的相对位移量l为：

37、

38、其中，λ为输入激光波长，n为环境折射率。

39、本发明的有益效果：

40、本发明所述的一种完全等光程外差激光干涉仪，第一入射光束和第二入射光束在最终干涉之前在空间上是分离的，降低了周期非线性误差；同时，所述测量干涉信号和参考干涉信号中的两束相干光在完全等光程分光组件中的行进路径长度相等，且测量干涉信号中两光束的行进路径为差分形式，能更好的抵消环境干扰对干涉信号造成的影响，使得外差激光干涉仪理论热漂移为零，结构热稳定性很好。

41、本发明所述的一种完全等光程外差激光干涉仪，外差激光干涉仪主体包括两个koester棱镜、偏振分光棱镜、角锥棱镜及其他偏振元件，更易于集成装配，相较于目前非共光路差分外差干涉仪设计装调更加灵活；本发明相较于其他空间分离式外差激光干涉仪同时兼顾了以上优势，更适用于高热稳定性需求的应用场合。