基于法拉第旋光效应的入射光原路返回的方法

摘要

本发明公开了一种基于法拉第旋光效应的入射光原路返回的方法。一束振动方向垂直于纸面的线偏振光经过能够旋光45°的法拉第旋光器，其偏振方向改变45°，入射至偏振分光镜，经偏振分光镜和1/4波晶片至装在被测物体上的测量平面镜，再反射至角锥棱镜后，利用角锥棱镜的逆反射特性，平行出射返回至原测量平面镜，经测量平面镜反射后再次透过1/4波晶片，由偏振分光镜反射后垂直入射到参考平面镜，由于光路的可逆和器件的偏振特性，垂直入射到参考平面镜的激光将按原路返回，最后经法拉第旋光器透射后成为振动方向平行于纸面的线偏振光，实现了光路的原路返回。可应用于光路原路返回的测量仪器。本发明适用于纳米、微光机电、集成电路芯片制造和生物技术等测量领域。

说明书

技术领域

本发明涉及以采用光学方法为特征的计量方法，尤其是涉及一种基于法拉第旋光效应的入射光原路返回的方法。

背景技术

平面镜干涉仪广泛地应用于测量x-y运动平台的线性位移，有很高的测量精度和很大的线性测量范围，但是其最大的缺点是对被测运动平台导轨的直线度要求非常高，被测运动平台的稍一偏转就使得探测器不能接收到信号，使其不可测量，当然更不可能实现对被测运动平台因稍稍偏转所产生的角度的测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于法拉第旋光效应的入射光原路返回的方法，能够应用于要求光路返回的测量领域。例如应用于平面镜干涉仪，使其能够克服因被测运动平台的稍微偏转就使得探测器不能接收到信号这一缺点，不仪能够测量被测运动平台的位移，而且能够实现被测运动平台稍稍偏转引起的角度的测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一束振动方向垂直于纸面的线偏振光经过能够旋光45°的法拉第旋光器，其偏振方向改变45°，入射至偏振分光镜，透过偏振分光镜和1/4波晶片至装在被测物体上的测量平面镜，经测量平面镜反射至角锥棱镜后，利用角锥棱镜的逆反射特性，平行出射返回至原测量平面镜，经测量平面镜反射后再次透过1/4波晶片，由偏振分光镜反射后垂直入射到参考平面镜，由于光路的可逆和器件的偏振特性，垂直入射到参考平面镜的激光将按原路返回，最后经法拉第旋光器透射后成为振动方向平行于纸面的线偏振光，实现了光路的原路返回。

第一次入射至偏振分光镜的线偏振光的振动方向与偏振分光镜的透振方向平行，参考平面镜的反射平面与偏振分光镜的透振方向平行。

本发明具有的有益效果是：

1)能够应用于要求光路返回的测量领域。

2)应用于平面镜干涉仪，使其能够克服因被测运动平台的稍微偏转就使得探测器不能接收到信号这一缺点，不仅能够测量被测运动平台的位移，而且能够实现被测运动平台稍稍偏转引起的角度的测量。

3)采用光学元件，结构简单。

本发明适用于纳米、微光机电、集成电路芯片制造和生物技术等测量领域。

附图说明

图1是基于法拉第旋光效应的入射光原路返回的方法。

图2是返回装置应用于平面镜干涉仪。

图中：1、双频激光器，2、分束镜，3、第一检偏器，4、第一探测器，5第一偏振分光镜，6、第一1/4波晶片，7、参考平面镜，8、第二检偏器，9、第二探测器，10、法拉第旋光器，11、第二偏振分光镜，12、固定平面镜，13、第二1/4波晶片，14、角锥棱镜，15、测量平面镜。

具体实施方式

在图1所示：一束振动方向垂直于纸面的线偏振光经过能够旋光45°的法拉第旋光器10，从入射方向看，偏振方向顺时针方向改变了45°，入射至偏振分光镜11，偏振分光镜11与x-y平面45°放置，因此其透振方向与入射光的透振方向一致，f1透过偏振分光镜11，经1/4波晶片13被装在被测物体上的测量平面镜反射至角锥棱镜14，由角锥棱镜14的逆反射特性，平行出射后重新入射至测量平面镜15，经测量平面镜15反射后再次透过1/4波晶片13，由于两次透过1/4波晶片13，f1的偏振态又改变了90°，与偏振分光镜11的透振方向垂直，经偏振分光镜11反射后垂直入射到参考平面镜12，参考平面镜的反射面与偏振分光镜11的透振方向呈平行放置。由光路的可逆原理和器件的偏振特性，f1被参考平而镜垂直反射后将按原路返回：经偏振分光镜11反射，1/4波晶片13-测量平面镜15-角锥棱镜14-测量平面镜15-1/4波晶片13，重新射至偏振分光镜11，由于在返回过程中，再次两次透过1/4波晶片，f1的偏振态在原来基础上又改变了90°，与偏振分光镜11的透振方向一致，使得f1按原路透过偏振分光镜11，最后经法拉第旋光器顺时针旋光45°后，成为振动方向平行于纸面的线偏振光，实现了光路的原路返回。

把基于法拉第旋光效应的入射光原路返回的方法应用于平面镜干涉仪，见图2所示，光源为横向塞曼效应He-Ne双频激光器1，该激光器输出两个不同频率的正交线偏振光，其频差约为1.900MHZ。激光器1发出的激光束被分束镜2分成两部分，一部分被分束镜2反射后，经第一检偏器3拍频后进入第一探测器4成为参考；另一部分透过分束镜2被第一偏振分光镜5分成频率不同的两束线偏振光，被第一偏振分光镜5反射的那束，其偏振态平行于纸面，它透过第一1/4波晶片6后，被参考平面镜7垂直反射后，再次透过第一1/4波晶片6，由于两次透过第一1/4波晶片，其偏振态改变90°，透过第一偏振分光镜7后成为参考光；另一频率的光透过第一偏振分光镜5其偏振态与纸面垂直，经过权利要求所述的基于法拉第旋光效应的入射光原路返回装置，按原路返回后成为振动方向平行于纸面的线偏振光，经第一偏振分光镜5反射，透过第二检偏器8后，与参考光拍频进入第二探测器9。

从中可以看出，无论测量镜怎样运动，其反射光线只要被角锥棱镜14捕捉，就能保证激光按原路返回。若测量镜作绕z方向的平面运动，x为其沿X轴的平动位移，θ为其绕Z轴旋转的角位移，则系统的光程差可表示为：

OPD(x，θ)＝f(θ，α)x+g₁(θ)Ls+g₂(θ；n)Dr   (1)

$>>f>>(>\theta >,>\alpha >)>>=>>>>>8>cos>>2>>>(>\alpha >->\theta >)>>>>cos>\alpha >\; >->->->>(>2>)>>>s>$

g₁(θ)＝-8sin²θ                                                         (3)

$>{}_{}$

其中Dr为角锥棱镜的直径，Ls为起始时刻测量镜的反射点到角锥棱镜的垂直距离，n为角锥棱镜的折射率，α为初始时刻测量镜与入射激光的夹角。当θ＝0时，g₁(θ)，g₂(θ)都为0，

OPD(x，θ)＝8xcosα                                             (5)

这样就根据(5)可得到被测运动平台沿x方向的平动位移。

由于基于法拉第旋光效应的入射光原路返回装置，使得平面镜干涉仪对导轨的直线度不敏感，若平行放置两套这样的干涉仪，还可以实现因运动平台稍稍偏转引起的角度测量。