正交偏振激光干涉振动测量方法与实验研究

论文摘要

在纳米精密定位和位移监测领域中,激光干涉技术是应用最为广泛的一种非接触式精密测量技术,它可用于精密机床、大规模集成电路加工设备等的在线测量、误差修正和控制,因此在精密测量中占据着重要地位。其中非线性误差是影响干涉仪测量精度的主要因素之一,也是本文对干涉仪性能的主要评价方法。本文研究了一种零差偏振激光干涉仪,它可以用于纳米级的微小位移测量,具有高分辨率、高精度的特点。干涉仪中光学元件的参数误差和位置误差是引入非线性误差的主要原因,也是本文研究的重点。本文基于偏振光的琼斯矩阵理论,研究了正交偏振激光干涉仪的误差产生原因和作用机理,深入研究了光路的调整及其误差的补偿。主要的研究内容和取得的成果可归纳如下:首先建立了正交偏振激光干涉仪中光学元件的误差模型,对各偏振元器件对干涉测量的误差影响进行了计算与仿真,其中,各元件中波片对干涉仪系统的影响最大,其参数在1°～5°的误差范围内系统非线性误差最大可达8.8nm。根据仿真所得的误差范围可以选择性能符合实验要求的器件参数,并且其计算结果对光路的调整也具有理论指导作用;其次在理论分析的基础上选择了性能符合要求的光学元件和机械结构,搭建了正交偏振激光干涉仪的光路系统,在搭建过程中提出了元件参数的在线评价方法,从而简化了干涉仪的搭建过程。根据元件对光路中各处光强的影响和信号构成的李萨如图形,总结出一套干涉仪元器件的调整方法,这种方法可以有效地降低系统的非线性误差。最后应用调整好的干涉仪进行实际测量,并计算出调整后的系统非线性误差为10nm,较调整前降低了80%,为后续的信号处理提供了良好的测量信号,使干涉仪的测量精度达到了纳米量级。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 激光干涉仪测量的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的研究工作与研究方法
• 第2章 正交偏振干涉仪的理论模型
• 2.1 基础理论
• 2.1.1 偏振光的琼斯矩阵
• 2.1.2 典型光学元件的琼斯矩阵
• 2.2 光路结构选择
• 2.3 理想情况下的正交偏振干涉原理
• 2.4 本章小结
• 第3章 正交偏振干涉仪的误差分析
• 3.1 偏振片的误差分析
• 3.2 偏振分光棱镜的误差分析
• 3.3 波片的误差分析
• 3.4 光学元器件的选择
• 3.4.1 光学元件的选择
• 3.4.2 光学器件的安装与固定
• 3.5 本章小结
• 第4章 光学器件性能的在线评价方法
• 4.1 起偏器的评价方法
• 4.1.1 起偏器的检测方法
• 4.1.2 在线检测方案
• 4.1.3 实验结果
• 4.2 偏振分光棱镜的评价方法
• 4.2.1 偏振分光棱镜的检测方法
• 4.2.2 在线检测方案
• 4.2.3 实验结果
• 4.3 波片的评价方法
• 4.3.1 波片的检测方法
• 4.3.2 在线检测方案
• 4.3.3 实验结果
• 4.4 消偏振分光棱镜的评价方法
• 4.4.1 在线测量方案
• 4.4.2 实验结果
• 4.5 本章小结
• 第5章 干涉仪的调整方法
• 5.1 偏振干涉信号的评价方法
• 5.2 干涉仪的光路粗调方法
• 5.3 干涉仪的光路细调方法
• 5.3.1 起偏器
• 5.3.2 反射镜
• 5.3.3 干涉仪中的1/4波片
• 5.3.4 接收装置中的波片
• 5.3.5 探测器
• 5.4 本章小结
• 第6章 正交偏振干涉仪的振动测量实验研究
• 6.1 信号采集与处理方法
• 6.2 干涉仪的振动测量试验与误差分析
• 6.2.1 PZT的标定
• 6.2.2 非线性误差
• 6.3 干涉仪的稳定性试验与误差分析
• 6.4 振动对干涉仪的影响及抗振方案
• 6.5 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢