基于非共轴平衡光路的外差激光干涉周期非线性抑制方法

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1、博士学位论文基于非共轴平衡光路的外差激光干涉周期非线性抑制方法ELIMINATIONOFPERIODICNONLINEARITYINHETERODYNEINTERFEROMETRYWITHTWOSPATIALLYSEPARATEDBALANCEDBEAMS陈朋哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TH741学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学博士学位论文基于非共轴平衡光路的外差激光干涉周期非线性抑制方法博士研究生：陈朋导师：丁雪梅教授胡鹏程副教授申请学位：工学博士学科：仪器科学与技术所在单位：自动化测试与控制系答

2、辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TH741U.D.C:621.3DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringELIMINATIONOFPERIODICNONLINEARITYINHETERODYNEINTERFEROMETRYWITHTWOSPATIALLYSEPARATEDBALANCEDBEAMSCandidate：ChenPengSupervisor：Prof.DingXuemeiA.P.HuPengchengAcademicDegreeAp

3、pliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：InstrumentationScienceandTechnologyAffiliation：DepartmentofAutomaticMeasurementandControlDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要随着超精密工程与纳米技术的发展，外差激光干涉测量技术正在向高加速度、高测速、亚纳米精度的方向发展。影响亚纳米精度的因素众多，

4、其中几纳米甚至十几纳米的周期非线性误差是限制亚纳米精度发展的关键因素之一。本课题在对误差综合模型研究的基础上，分析误差源对周期非线性误差的影响机理，寻找从根源上减小周期非线性误差的途径，提出一种非共轴平衡光路式外差激光干涉仪的构建方法，以满足外差激光干涉仪向亚纳米精度发展的需求。本文的主要研究工作如下：针对尚未建立周期非线性误差综合模型的问题，根据产生周期非线性的5种误差源，建立了一个误差综合模型，能够完整地描述外差激光干涉测量系统中各误差源之间的综合关系，为周期非线性误差的分析、测量及减小提供了必要的理论基础。利用该模型对各个误差源与一阶、

5、二阶和高速周期非线性误差之间的关系进行了分析及仿真。研究结果表明，双频激光束呈椭圆偏振态、双频激光束偏振主轴非正交、双频激光束偏振主轴与偏振分光镜的光轴存在角度误差是产生周期非线性的根本性误差源；在低速测量时，一阶误差是主要的周期非线性误差；在高速测量时，一阶误差和高速误差是主要的周期非线性误差。在此基础上利用矢量分析法研究了周期非线性误差的性质，结果表明，周期非线性误差的幅值近似等于测量信号中误差分量的幅值与理想分量的幅值之比，为快速估算周期非线性误差提供了依据。最后利用该模型研究了三种周期非线性误差补偿技术，仿真结果表明，误差补偿方法在不

6、改变光路结构的情况下可以将周期非线性误差由11.2nm减小到0.1~1nm，为进一步减小周期非线性误差提供了参考依据。针对现有非共轴光路式外差激光干涉仪由于参考臂与测量臂光程不平衡会引入热漂移误差的问题，提出了一种非共轴平衡光路式外差激光干涉仪的构建方法。该方法利用非共轴的两束光平行地入射光程平衡的传统共轴外差激光干涉仪，用横置的PBS或BS将参考臂与测量臂的两束出射光会合形成干涉信号，从而构成非共轴平衡光路式外差激光干涉仪。由于具有两入射光束非共轴特性以及两臂光程平衡特性，因而基于该方法构建的外差激光干涉仪具有同时抑制周期非线性误差与热漂移

7、误差的能力，可以将周期非线性误差抑制在±50pm以内。然后基于该方法改进了单轴线性干涉结构与单轴平面镜干涉结构，扩展了三轴平面镜干涉结构。针对现有方法无法精确测量非共轴光路式外差激光干涉仪的pm量级周期-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文非线性误差的问题，提出了一种基于正交解调的周期非线性误差精确测量模型。该测量模型包括相位求解、幅值及幅值误差的求解、降采样及加权平均、滤波、加窗函数和FFT求频谱。该模型可以大幅度减小测量中的误差及噪声，精确地测量出pm量级的周期非线性误差。实验结果表明，该模型测量出了pm量级的一阶、二阶周期非线性误差，测量

8、精度为±3.5pm，并减少了85%的噪声。最后，设计了非共轴平衡光路式单轴四细分干涉仪与频差可调的双光束光源，搭建了周期非线性误差测量实验系统。在快速位移实验中，用