激光合成波长纳米位移测量干涉仪的非线性误差分析与补偿方法研究

摘要

近年来,随着微电子、超精密加工等高新技术的迅速发展,对纳米位移测量技术及仪器提出了既要测量范围大又要同时达到纳米级测量精度的要求。本论文依托于“激光合成波长纳米位移测量干涉仪的研制”国家自然科学基金项目(No.50827501),就激光合成波长纳米位移测量干涉仪的非线性误差和补偿方法、空气折射率测量和波长修正技术展开研究,旨在进一步完善激光合成波长纳米位移测量干涉仪的技术性能。
　　 论文在描述了激光合成波长纳米位移测量干涉仪的测量原理、系统结构和基于DSP的信号处理系统的基础上,建立了激光合成波长纳米位移测量干涉仪非线性误差计算模型,得出了一个新形式的偏振分量转换的Jones矩阵,并应用于激光合成波长纳米位移测量干涉仪的非线性误差分析中。
　　 论文对激光合成波长纳米位移测量干涉仪的非线性误差进行了理论分析和仿真研究,分析结果表明:①激光器偏振态引入的非线性误差大小与偏振光的偏差角有关,偏差角为1.7°时非线性误差为0.09nm;偏差角为5.7°时非线性误差为1nm。②偏振分光镜的偏振泄漏与非正交误差、角锥棱镜的偏转角误差小于0.05nm。③在50μm测量范围内,偏振分光镜的安装误差主要来自非测量臂中的偏振分光镜,安装误差大于8°时非线性误差达到几纳米到几十纳米;安装误差为5°时非线性误差约为2nm,安装误差为1°时非线性误差小于1nm;④镀银膜型角锥棱镜非线性误差为0～0.38nm,镀铝膜型角锥棱镜的非线性误差为0.05～O.1nm。在非线性误差分析结果的基础上,设计了一套新型的激光合成波长干涉光路,在偏振分光镜安装角度误差小于5°的情况下,将偏振分光镜安装误差导致的非线性误差减小到原有误差的1/3～1/30。
　　 论文设计并研制了测量空气折射率的硬件电路和软件系统,并对研制的空气折射率测量装置的性能进行了实验验证,实验结果表明:在以13μm、3mm、5mm和8mm为步长的实验中,波长修正前平均误差为:-4.42nm、-0.6μm、-0.78μm和-2.27μm。波长补偿后平均误差为0.91nm、0.21μm、0.55μm和-0.1μm。上述结果表明所研制的空气折射率测量装置能够较好的修正波长,减小误差。