1 浙江理工大学纳米测量技术实验室，浙江 杭州 310018
2 中国计量科学研究院几何量计量科学研究所，北京 100029
提出了一种基于四象限探测器和波片阵列的集成式干涉信号探测系统。波片阵列的对准误差是激光干涉测量非线性误差的主要来源之一。首先分析了波片阵列对准误差对测量结果的影响机理，然后利用琼斯矩阵建立了波片阵列对准误差引入的非线性误差模型，并搭建实验系统进行验证和研究。实验结果表明，波片阵列引入的非线性误差会随着对准误差的增大而增大，在－20°～20°范围内，四分之一波片引入的非线性误差在0～13 nm之间，二分之一波片引入的非线性误差在0～2.4 nm之间。研究结果对单频激光干涉测量系统的集成化及非线性误差的分析和消除具有重要的参考价值。
测量 位移测量 激光干涉 波片 琼斯矩阵 非线性误差 纳米测量
1 中国科学院大学, 北京 100049
2 中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室, 上海 200083
为了提高单频激光干涉测振系统的测量精度，提出了一种基于伪极值的非线性误差实时主动补偿方法，该方法使用伪极值计算直流偏置误差和不等幅误差，通过矢量相位校正运算抑制非正交误差。实验结果表明：该方法降低了测量期间因激光器功率漂移、Abbe误差导致的正交信号椭圆轨迹螺旋化形变，以及因数字信号传输误码造成的异常数据对非线性误差补偿的影响。在搭建的单频激光干涉测振系统中，使用伪极值法结合矢量相位校正运算方法可将周期性剩余误差峰峰值降低至0.8 nm，比传统的极值法具有更好的非线性误差抑制效果，且该方法不需要复杂的运算，保持了良好的实时性。
测量 单频激光干涉测振系统 非线性误差补偿 伪极值法 纳米测量 激光与光电子学进展
2018, 55(8): 081204
1 清华大学机械工程系, 北京 100084
2 上海微电子装备有限公司, 上海 201203
作为一种超精密的非接触式测量设备，双频激光干涉测量系统可以在保证纳米级测量精度的情况下实现大范围和高速度测量，因而获得非常广泛的用途。环境是影响激光干涉测量系统测量精度的最大因素，为了获得纳米测量精度，必须对测量环境进行补偿。因此，重点研究了环境补偿技术，并研制了一种新型波长跟踪器，与Edlen经验公式进行对比测试，结果表明新型波长跟踪器具有良好的补偿效果。采用自制波长跟踪器补偿之后，被测运动台伺服精度可达1.61 nm。
物理光学 精密测量 双频激光干涉仪 Edlen经验公式 波长跟踪器 环境补偿 纳米测量
哈尔滨工程大学理学院光子科学与技术研究中心, 黑龙江 哈尔滨 150001
提出了一种用于单频激光干涉仪的非线性误差被动补偿方法。利用干涉仪中波片位置的在线预置，实现干涉仪偏振态的超前调整，补偿干涉仪中由偏振分光棱镜、消偏振分光棱镜以及波片的性能和位置非理想导致的非线性误差。构建干涉仪非线性误差在线检测装置进行实验研究。结果表明，通过被动补偿方法集成的干涉仪输出信号的交直流抑制比大于500，非线性正交相移m减小至0.003 rad(0.15 nm)。通过连续24 h的稳定性测量实验可知，参数m变化幅度在0.024 rad(1.21 nm)内，极大地抑制了干涉仪的非线性误差。
测量 激光干涉 非线性误差 被动补偿 纳米测量
哈尔滨工程大学理学院光子科学与技术研究中心， 黑龙江 哈尔滨 150001
研究了一种基于偏振光的集成式单频激光干涉仪。利用偏振光学变换方法，实现了干涉仪的光学4细分结构，提高了测量灵敏度；构建4路正交探测结构，实现了干涉仪的无源偏振调制，扩大了干涉仪测量范围；采用光路集成化的设计方法，实现了一体化干涉仪光路集成。对激光干涉仪进行振动测量实验研究，结果表明，静态位移测量误差小于±0.3 nm，振动测量的分辨率达10 pm/Hz1/2；上述集成单频激光干涉仪具有测量精度高、稳定性好、动态范围宽、受环境影响小等优点，可被广泛用于纳米测量的各个领域。
测量 激光干涉仪 纳米测量 差动干涉 光路集成化
1 中国科学院 光电技术研究所,四川 成都 610209
2 中国科学院 研究生院,北京 100049
为了满足高精度光学系统对光学元件纳米级的检测精度要求,提出了一种理论可实现纳米级测量的632.8 nm移相菲佐干涉仪的设计方案。通过对检测凹面和凸面的632.8 nm 移相菲佐干涉仪的基本结构和测量原理的分析,指出影响干涉仪测量精度的几种主要误差：移相误差、几何结构误差、振动误差、探测器误差(非线性误差和量化误差)、光源误差(波长不稳定和强度不稳定)、空气扰动和折射率变化误差。通过对这些误差理论分析和模拟,量化了各误差对测量精度的影响,其中移相误差、几何误差、振动误差和空气折射率误差影响最为显著。根据测量精度要求和仿真结果,得到实现纳米级测量的干涉仪系统参数和环境参数设置要求。
干涉测量 移相菲佐干涉仪 光学检测 误差分析 纳米检测 激光与光电子学进展
2010, 47(4): 041202
1 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
2 中国科学院研究生院, 北京 100039
针对两个物体或平面的相对位移和间隙的纳米级变化量,提出并研究了一种光栅测量方法。采用两组周期接近的微光栅重叠可以产生一组周期分布的条纹,条纹的周期相对于两光栅周期被大幅度放大,并将光栅间的位移反应在条纹的相位信息中。建立了关于双光栅产生叠栅条纹的复振幅分布的近似理论模型。基于该模型设计了一种能够测量两个平行平面相对位移和间隙的方法。针对光栅移动产生相应条纹的过程进行了数值计算。结果表明,两个平行平面的相对微位移将引起相应条纹的大位移,并且该方法最终能在纳米级以内分辨两平面(物体)的相对位移或者间隙变化量。
纳米测量 光栅 干涉 叠栅条纹
1 清华大学 精密测试技术与仪器国家重点实验室, 北京 100084
2 中国计量科学研究院, 北京100013
为了对激光干涉仪、高精度位移传感器等测量系统进行纳米级精度的非线性误差校准,需进一步提高中国计量科学研究院与清华大学合作研制的差拍F-P干涉仪的线性度、稳定性及测量范围。在合理分析空气折射率变化及He-Ne激光器纵模调谐范围等因素对测量的影响基础上,设计并制作了密封干涉光路的真空系统,并用调谐范围较大的半导体激光器作为工作激光器。实验结果表明,系统在大于1/4波长的行程范围内的线性度有明显的提高,最大非线性误差由8.93 nm减小至1.19 nm。
纳米测量 法布里珀罗(F-P)干涉仪 非线性误差校准 可调谐半导体激光
1 清华大学 精密测试技术与仪器国家重点实验室，北京 100084
2 中国计量科学研究院，北京 100013
为了研究可用于纳米、亚纳米精度的非线性误差校准系统，采用差拍F－P干涉法，在中国计量科学研究院研制的差拍F－P干涉仪基础上，设计并制作了适用于该系统的密封干涉光路的真空系统。通过与电容式测微仪的比对实验，证明了系统的抗干扰能力得到了改善，在大于半波长的测量范围内，系统的非线性度优于3．86nm。
纳米测量 F－P腔 非线性误差校准 拍频干涉法 nanometer measurement F-P cavity nonlinear error calibration beat frequency interferometer
1 北京理工大学,光电工程系,北京,100081
2 长城计量测试研究所,北京,100095
本干涉仪采用偏振测量和偏振接收装置.对干涉仪光路中激光的偏振态转换进行了详细的理论分析,对偏振干涉仪以及双频干涉仪的研制具有借鉴意义.该装置的重复性试验表明干涉仪重复性在30 nm之内,说明干涉仪的性能比较可靠.如果对环境条件进行严格的控制,会得到更高的测量精度,有望实现纳米精度测量.
纳米测量 偏振干涉仪 光学细分 Nanometer measurement Polarized interferometer Multiplication OPD
