激光干涉儀基本系統(tǒng)

隨著20世紀60年代初激光的出現(xiàn)，幾何量計量技術的發(fā)展步入了嶄新的時期。雙頻激光干涉儀正是利用激光具有頻率穩(wěn)定、單色性好等優(yōu)點，在幾何量計量領域發(fā)揮著越來越重要的作用。雙頻激光干涉儀具有精度高、應用范圍廣、環(huán)境適應能力強、實時動態(tài)測速高等一系列無可比擬的優(yōu)勢，成為幾何量計量活動的生力軍。相比于激光干涉儀，現(xiàn)代雙頻激光干涉儀擺脫了計量室的束縛，在越來越廣闊的工程測量領域大顯身手。因此，雙頻激光干涉的發(fā)明對計量事業(yè)的發(fā)展乃至整個科學事業(yè)的發(fā)展有著舉足輕重的作用。本文根據(jù)雙頻激光干涉儀應用領域的最新發(fā)展，對雙頻激光干涉儀的應用進行了簡要的總結。

雙頻激光干涉儀的發(fā)明把幾何量計量發(fā)展推向了又一個高峰，雙頻激光干涉儀是目前精度最高、量程最大的長度計量儀器，以其良好的性能、在很多場合，特別是在大長度與大位移的精密測量中得到廣泛應用。就長度計量而言，通常將200m以上的測量稱為距離測量（Distance Measurement），3m以下的稱為一般長度測量，3~200m之間的測量稱為大尺寸測量(Large Dimension Measurement)[1]。雙頻激光干涉儀在一般長度精密測量中多有使用。雙頻激光干涉儀可以在恒溫，恒濕，防震的計量室內檢定量塊，量桿，刻尺和坐標測量機等，也可以在普通車間內為大型機床的刻度進行標定，既可以對幾十米的大量程進行精密測量，也可以對手表零件等微小運動進行精密測量，既可以對幾何量如長度、角度．直線度、平行度、平面度、垂直度等進行測量，也可以用于特殊場合，諸如半導體光刻技術的微定位和計算機存儲器上記錄槽間距的測量等等。不僅在單純的長度計量領域，在其他工程技術領域，雙頻激光干涉儀的應用也越來越廣泛，不乏一些很有創(chuàng)見的應用。關于雙頻激光干涉儀在解決某個工程測量問題的研究已經有非常多的成功案例，以雙頻激光干涉儀為關鍵詞的學術論文不勝枚舉，對雙頻激光干涉儀的應用，國內外很多學者常常有很獨到的理解。雙頻激光干涉儀的應用也不斷發(fā)展更新，所以，有必要對它的應用做一些有益的總結，使人們更好的理解雙頻激光干涉儀的應用，為推動生產發(fā)展提供一些理論依據(jù)。

1、 雙頻激光干涉儀原理

雙頻激光干涉儀的原理是建立在塞曼效應、牽引效應和多普勒效應的基礎之上的。其原理如圖2所示，在全內腔He-Ne激光器上加約0.03T的軸向磁場，由于塞曼效應和牽引效應，發(fā)出一束含有兩個不同頻率的左旋和右旋圓偏振光，它們的頻率差大約是1.5MHz左右。這束光經1/4波片之后成為兩個互相垂直的線偏振光，再經平行光管準直和擴束。從平行光管出來的這束光經過析光鏡反射出一小部分作為參考光束通過45°放置的檢偏器。并由馬呂斯定律可知，兩個垂直方向的線偏振光在45°方向上投影，形成新的線偏振光并產生拍頻。這個拍頻頻率恰好等于激光器所發(fā)出的兩個光頻的差值即（f1-f2），約為1.5MHz。經光電元件接受進入前置放大器和計算機。另一部分透過析光鏡沿院方向射向偏振分光棱鏡?；ハ啻怪钡木€偏振光f1和f2被分開。f2射向參考立體直角錐棱鏡后返回，f1透過偏振分光棱鏡到立體直角錐棱鏡——測量棱鏡，這時如果它以速度v運動，那么f1的返回光便有了變化成為（f1±Δf）。這束光返回后重新通過偏振分光棱鏡并與f2的返回光會合，然后到45°放置的檢偏器上產生拍頻被光電元件接收，進入前置放大器和計算機。計算機對兩路信號進行比較，計算它們之間的差值±Δf（即多普勒頻差）。進而可以根據(jù)立體直角棱鏡移動度數(shù)和時間求得被測長度。

雙頻激光干涉儀中，雙頻起到了調頻的作用，被測信號只是疊加在這一調頻副載波上，這副載波與被測信號一起均被接收并轉換成電信號。

2、雙頻激光干涉儀在大尺寸測量中的應用

雙頻激光干涉儀是精度最高、可靠性非常好的儀器，是高精度大尺寸測量中優(yōu)先考慮的測量手段。

（1）雙頻激光干涉儀測量大尺寸軸徑

雙頻激光干涉儀是一種增量式測長儀。在時間t內，被測長度對應的多普勒頻差為計數(shù)器記得的脈沖數(shù)K。計數(shù)器計脈沖數(shù)時，需要有信號控制計數(shù)器開始計數(shù)和停止計數(shù)，此信號由準直系統(tǒng)提供。當準直系統(tǒng)對準被測軸徑的測量起點時，發(fā)出一個開始計數(shù)信號；當準直系統(tǒng)對準被測的測量終點時，發(fā)出一個停止計數(shù)信號，計數(shù)器停止計數(shù)。所以準直系統(tǒng)對準的精度直接影響測量系統(tǒng)準確度。激光準直的工作原理為，由氦氖激光器發(fā)射出激光，經過前端望遠鏡系統(tǒng)后，發(fā)射是出一束激光束作為系統(tǒng)準直的基準，光電目標靶為準直系統(tǒng)的接收裝置，常用的是硅光電探測器。

3、雙頻激光干涉儀在數(shù)控車床檢定中的應用

雙頻激光干涉儀與不同光學附件結合,可以測量距離、直線度、垂直度、平行度、平面度。由于儀器為模塊化結構,安裝位置靈活,便于分析機床誤差來源;而且測量時可以在工作部件運動過程中自動采集數(shù)據(jù),更接近機床的實際使用狀態(tài)。與傳統(tǒng)的檢定方法相比,激光干涉儀具有較高的精度和效率,并能及時處理數(shù)據(jù),為機床誤差修正提供依據(jù)。因此,用雙頻激光干涉儀檢測機床各項誤差是一種用傳統(tǒng)測量手段難以實現(xiàn)的的技術。位置精度是機床的重要指標,目前世界各國機床檢定標準中都推薦使用激光干涉儀進行該項精度的檢定。用雙頻激光干涉儀檢定位置精度使用長度干涉儀和測量反射鏡,測量時將長度干涉儀置于不動位置,反射器安裝在運動部件上(也可相反) 。雙頻激光干涉儀在數(shù)控機床檢定上的應用，即是對其各項形位誤差的檢定，在此不予贅述。

激光干涉儀是一種以波長作為標準對被測長度進行測量的儀器。激光干涉儀是20世紀60年代末期問世的一種新型的測量設備，由美國HP公司研制成功并于1970年投入市場，隨即受到了相關行業(yè)特別是機床制造業(yè)的重視，其主要在：線形、角度、垂直度、直線度、平面度等方面上應用。隨著激光干涉儀測量技術的不斷提高，測量軟件的不斷開發(fā)其測量范圍越來越廣泛，特別是在測量數(shù)控機床位置精度方面用途最為廣泛。

激光干涉儀發(fā)射單一頻率光束射入線性干涉鏡，然后分成兩道光束，一道光束（參考光束）射向連接分光鏡的反射鏡，而第二道透射光束（測量光束）則通過分光鏡射入第二個反射鏡，這兩道光束再反射回到分光鏡，重新匯聚之后返回激光器，其中會有一個探測器監(jiān)控兩道光束之間的干涉（見圖）。

若光程差沒有變化時，探測器會在相長性和相消性干涉的兩極之間找到穩(wěn)定的信號。若光程差有變化時，探測器會在每一次光程變化時，在相長性和相消性干涉的兩極之間找到變化信號，這些變化會被計算并用來測量兩個光程之間的差異變化。