激光干涉儀基本系統(tǒng)主要功能

隨著20世紀(jì)60年代初激光的出現(xiàn)，幾何量計量技術(shù)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(diǎn)，在幾何量計量領(lǐng)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(yīng)用范圍廣、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、實(shí)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(lǐng)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(xué)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(yīng)用領(lǐng)域的最新發(fā)展，對雙頻激光干涉儀的應(yīng)用進(jìn)行了簡要的總結(jié)。

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(yīng)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(nèi)檢定量塊，量桿，刻尺和坐標(biāo)測量機(jī)等，也可以在普通車間內(nèi)為大型機(jī)床的刻度進(jìn)行標(biāo)定，既可以對幾十米的大量程進(jìn)行精密測量，也可以對手表零件等微小運(yùn)動進(jìn)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(jìn)行測量，也可以用于特殊場合，諸如半導(dǎo)體光刻技術(shù)的微定位和計算機(jī)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(lǐng)域，在其他工程技術(shù)領(lǐng)域，雙頻激光干涉儀的應(yīng)用也越來越廣泛，不乏一些很有創(chuàng)見的應(yīng)用。關(guān)于雙頻激光干涉儀在解決某個工程測量問題的研究已經(jīng)有非常多的成功案例，以雙頻激光干涉儀為關(guān)鍵詞的學(xué)術(shù)論文不勝枚舉，對雙頻激光干涉儀的應(yīng)用，國內(nèi)外很多學(xué)者常常有很獨(dú)到的理解。雙頻激光干涉儀的應(yīng)用也不斷發(fā)展更新，所以，有必要對它的應(yīng)用做一些有益的總結(jié)，使人們更好的理解雙頻激光干涉儀的應(yīng)用，為推動生產(chǎn)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(yīng)、牽引效應(yīng)和多普勒效應(yīng)的基礎(chǔ)之上的。其原理如圖2所示，在全內(nèi)腔He-Ne激光器上加約0.03T的軸向磁場，由于塞曼效應(yīng)和牽引效應(yīng)，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(jīng)1/4波片之后成為兩個互相垂直的線偏振光，再經(jīng)平行光管準(zhǔn)直和擴(kuò)束。從平行光管出來的這束光經(jīng)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(chǎn)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(jīng)光電元件接受進(jìn)入前置放大器和計算機(jī)。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(yùn)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(chǎn)生拍頻被光電元件接收，進(jìn)入前置放大器和計算機(jī)。計算機(jī)對兩路信號進(jìn)行比較，計算它們之間的差值±Δf（即多普勒頻差）。進(jìn)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(diào)頻的作用，被測信號只是疊加在這一調(diào)頻副載波上，這副載波與被測信號一起均被接收并轉(zhuǎn)換成電信號。

2、雙頻激光干涉儀在大尺寸測量中的應(yīng)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(nèi)，被測長度對應(yīng)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(zhǔn)直系統(tǒng)提供。當(dāng)準(zhǔn)直系統(tǒng)對準(zhǔn)被測軸徑的測量起點(diǎn)時，發(fā)出一個開始計數(shù)信號；當(dāng)準(zhǔn)直系統(tǒng)對準(zhǔn)被測的測量終點(diǎn)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(zhǔn)直系統(tǒng)對準(zhǔn)的精度直接影響測量系統(tǒng)準(zhǔn)確度。激光準(zhǔn)直的工作原理為，由氦氖激光器發(fā)射出激光，經(jīng)過前端望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)后，發(fā)射是出一束激光束作為系統(tǒng)準(zhǔn)直的基準(zhǔn)，光電目標(biāo)靶為準(zhǔn)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(yīng)用

雙頻激光干涉儀與不同光學(xué)附件結(jié)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(jié)構(gòu),安裝位置靈活,便于分析機(jī)床誤差來源;而且測量時可以在工作部件運(yùn)動過程中自動采集數(shù)據(jù),更接近機(jī)床的實(shí)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(jī)床誤差修正提供依據(jù)。因此,用雙頻激光干涉儀檢測機(jī)床各項(xiàng)誤差是一種用傳統(tǒng)測量手段難以實(shí)現(xiàn)的的技術(shù)。位置精度是機(jī)床的重要指標(biāo),目前世界各國機(jī)床檢定標(biāo)準(zhǔn)中都推薦使用激光干涉儀進(jìn)行該項(xiàng)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(yùn)動部件上(也可相反) 。雙頻激光干涉儀在數(shù)控機(jī)床檢定上的應(yīng)用，即是對其各項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)對被測長度進(jìn)行測量的儀器。激光干涉儀是20世紀(jì)60年代末期問世的一種新型的測量設(shè)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(guān)行業(yè)特別是機(jī)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(yīng)用。隨著激光干涉儀測量技術(shù)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(jī)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。