基于法拉第旋光效应的激光偏振干涉纳米测量原理与方法

测量光束的正确逆返是激光干涉纳米测量的基础。实际情况中，由于被测对象不可避免的转动或横向移动，不仅使测量精度降低，甚至无法进行测量。本项目从光路结构设计的源头进行测量方法的创新，提出了一种基于法拉第效应的线偏振光正交逆返的通用新方法，解决了被测对象发生大角度转动或横向移动时仍可形成正确干涉测量的核心技术问题，建立了一种可实现位移和角度同时测量的新原理，提出了激光偏振干涉多维运动实时测量的新方法。拟通过对该测量方法的理论分析、测量系统的优化设计、信号处理方法研究、激光偏振非线性误差及环境因素影响的分析与综合、测量不确定度评定和实验验证等相关内容的研究，构建基于法拉第效应的多维运动纳米测量方法的理论体系，研制一套大范围高精度位移和角度同时测量的新型激光偏振干涉系统。通过本项目的研究，旨在建立精确的纳米测量与表征方法，为我国纳米制造技术走自主创新之路提供新型的纳米测试计量仪器。

测量光束的正确逆返是激光干涉纳米测量的基础，兼顾位移和角度同时测量的纳米测量方法是实施纳米制造的一项关键技术。在实际应用中，由于被测对象不可避免的转动或横向移动，不仅使测量精度降低，甚至无法进行测量。本项目通过对基于法拉第效应的激光偏振干涉纳米测量方法的理论分析、测量系统优化设计、信号处理方法、非线性分析和实验等内容的研究，建立了一种可实现位移和角度同时测量原理，研制了一套毫米量程纳米级位移和角度同时测量的激光偏振干涉系统实验装置。按计划进行了相关研究内容的研究，达到了预期研究目标。.取得的主要创新点及研究进展：.（1）提出了基于法拉第效应的线偏振光原路正交逆返的通用方法，解决了由于被测物体转动或横向移动影响测量光束正确逆返的核心技术问题。.（2）建立了基于法拉第效应的激光偏振干涉纳米测量原理，解决了激光偏振干涉多自由度同时测量的关键技术问题；完成了基于法拉第效应的激光偏振干涉测量系统的优化设计，在通光孔径25.4mm、忽略光束直径时，位移测量范围大于100mm、角度测量范围可达-22.69°～16.53°。.（3）提出了激光外差干涉运动方向识别和相位测量补偿方法，解决了激光外差干涉测量运动方向的实时判别和初始相位差不为零时相位的补偿问题。.（4）提出了全数字式激光偏振干涉信号处理方法，以高频脉冲信号对干涉信号的上升沿进行锁定，解决了干涉信号上升沿低斜率和多毛刺谐波干扰的技术问题，采用数字混频方式对外差干涉信号进行锁相降频处理，实现了高速、高分辨率的纳米位移测量。.（5）构建了基于法拉第效应的激光偏振干涉纳米测量系统实验装置，在现有实验条件下（通光孔径11mm、光束直径6mm），通过稳定性、位移角度测量、比对实验和应用实验等测试，实现位移测量范围200mm、分辨率0.1nm、角度测量范围11º、分辨率0.1″，验证了项目测量原理与方法在实现大范围高精度位移和角度测量方面的可行性和有效性。.取得主要研究成果：.（1）在Review of Scientific Instruments、Measurement Science and Technology、Optics Express等国内外知名学术期刊上发表论文9篇，SCI、EI收录6篇。.（2）授权发明专利2项，申请发明专利3项（其中美国发明专利1项）。.（3）培养毕业硕士生5名，在读硕士生5名、博士生3名。