激光干涉儀技術參數(shù)

1604年開普勒（J．Kepler）寫出光學著作，指出光的強度和到達光源距離的平方成反比。并于1611年出版《折射光學》。

1801年托馬斯?楊（Thomas Young）用雙狹縫實驗演示了光的干涉現(xiàn)象，即著名的楊氏雙縫實驗。

1881年邁克爾遜（Albert．A．Michelson）設計了著名的實驗來測量“以太”漂移。當然沒測到漂移，由此導致“以太”說的破滅和相對論的誕生。它首次用于干涉儀，以鎘紅譜線與國際米原器作對比。正是由于他的工作導致后來用光的波長定義“米”。由于他在精密光學儀器、光譜和計量領域的研究工作于1907年獲得諾貝爾獎。

1960年Maiman研制成功第一臺紅寶石激光器，從此開始了光學技術飛速發(fā)展的新時代。從此，激光干涉測量被廣泛地用于長度、角度、微觀形貌、轉速、光譜等領域，并和微電子技術、計算機技術集成，成為現(xiàn)代干涉儀。

1982年G．Binning和H．Rohrer研制成功掃描隧道顯微鏡，1986年發(fā)明原子力顯微鏡，1986年獲得諾貝爾獎。從此開始了干涉儀向納米、亞納米分辨率和精度前進的新時代。

由于激光具有極好的時間相干性，自問世以來，已研制出多種激光干涉儀：單頻激光干涉儀、雙頻激光干涉儀、半導體激光干涉儀、法布里-珀羅（F-P）干涉儀、X射線干涉儀等。

激光干涉儀是激光在計量領域中最成功的應用之一。利用光的干涉實現(xiàn)測量，具有非接觸、無損檢測的特點，已經在各個不同領域得到廣泛的應用。

?

1、單頻激光干涉儀

從激光器發(fā)出的光束，經擴束準直后由分光鏡分為兩路，并分別從固定反射鏡和可動反射鏡反射回來會合在分光鏡上而產生干涉條紋。當可動反射鏡移動時，干涉條紋的光強變化由接受器中的光電轉換元件和電子線路等轉換為電脈沖信號，經整形、放大后輸入可逆計數(shù)器計算出總脈沖數(shù)，再由電子計算機按計算式式中λ為激光波長(N 為電脈沖總數(shù))，算出可動反射鏡的位移量L。使用單頻激光干涉儀時，要求周圍大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，各種空氣湍流都會引起直流電平變化而影響測量結果。

2、雙頻激光干涉儀

雙頻激光干涉儀是在單頻激光干涉儀的基礎上發(fā)展而來的一種外差式干涉儀。

在氦氖激光器上，加上一個約0.03特斯拉的軸向磁場。由于塞曼分裂效應和頻率牽引效應,激光器產生f1和f2兩個不同頻率的左旋和右旋圓偏振光。經1/4波片后成為兩個互相垂直的線偏振光,再經分光鏡分為兩路。一路經偏振片1后成為含有頻率為f1-f2的參考光束。另一路經偏振分光鏡后又分為兩路：一路成為僅含有f1的光束,另一路成為僅含有f2的光束。當可動反射鏡移動時,含有f2的光束經可動反射鏡反射后成為含有f2±Δf的光束，Δf是可動反射鏡移動時因多普勒效應產生的附加頻率,正負號表示移動方向(多普勒效應是奧地利人C.J.多普勒提出的，即波的頻率在波源或接受器運動時會產生變化)。這路光束和由固定反射鏡反射回來僅含有f1的光的光束經偏振片 2后會合成為f1-(f2±Δf）的測量光束。測量光束和上述參考光束經各自的光電轉換元件、放大器、整形器后進入減法器相減,輸出成為僅含有±Δf的電脈沖信號。經可逆計數(shù)器計數(shù)后，由電子計算機進行當量換算（乘 1/2激光波長）后即可得出可動反射鏡的位移量。雙頻激光干涉儀是應用頻率變化來測量位移的，這種位移信息載于f1和f2的頻差上，對由光強變化引起的直流電平變化不敏感，所以抗干擾能力強。它常用于檢定測長機、三坐標測量機、光刻機和加工中心等的坐標精度，也可用作測長機、高精度三坐標測量機等的測量系統(tǒng)。利用相應附件，還可進行高精度直線度測量、平面度測量和小角度測量。

國內雙頻激光干涉儀生產企業(yè)主要有北京鐳測科技有限公司，該公司的產品技術和工作人員主要來自于清華大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室，擁有自主知識產權，技術指標達到或優(yōu)于國外產品同等水平。

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。

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。

單頻的激光器它的一個根本弱點就是受環(huán)境影響嚴重，在測試環(huán)境惡劣，測量距離較長時，這一缺點十分突出。其原因在于它是一種直流測量系統(tǒng)，必然具有直流光平和電平零漂的弊端。激光干涉儀可動反光鏡移動時，光電接收器會輸出信號，如果信號超過了計數(shù)器的觸發(fā)電平則就會被記錄下來，而如果激光束強度發(fā)生變化，就有可能使光電信號低于計數(shù)器的觸發(fā)電平而使計數(shù)器停止計數(shù)，使激光器強度或干涉信號強度變化的主要原因是空氣湍流，機床油霧，切削屑對光束的影響，結果光束發(fā)生偏移或波面扭曲。這種無規(guī)則的變化較難通過觸發(fā)電平的自動調整來補償，因而限制了單頻干涉儀的應用范圍，只有設法用交流測量系統(tǒng)代替直流測量系統(tǒng)才能從根本上克服單頻激光干涉儀的這一弱點。

而雙頻激光干涉儀正好克服了這一弱點，它是在單頻激光干涉儀的基礎上發(fā)展的一種外差式干涉儀。和單頻激光干涉儀一樣，雙頻激光干涉儀也是一種以波長作為標準對被測長度進行度量的儀器，所不同者，一方面是當可動棱鏡不動時，前者的干涉信號是介于最亮和最暗之間的某個直流光平，而后者的干涉信號是一個頻率約為1.5MHz的交流信號；另一方面，當可動棱鏡移動時，前者的干涉信號是在最亮和最暗之間緩慢變化的信號，而后者的干涉信號是使原有的交流信號頻率增加或減少了△f，結果依然是一個交流信號。因而對于雙頻激光干涉儀來說，可用放大倍數(shù)較大的交流放大器對干涉信號進行放大，這樣，即使光強衰減90%，依然可以得到合適的電信號。由于這一特點，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。

總之，雙頻激光干涉儀的優(yōu)越性主要有以下幾點：

1. 精度高 雙頻激光干涉儀以波長作為標準對被測長度進行度量的儀器。即使不做細分也可達到μm 量級，細分后更可達到n m量級。(安捷倫5530激光干涉儀線性精度能達到0.4PPM)

2. 應用范圍廣 雙頻激光干涉儀除了可用于長度的精密測量外，測量角度、直線度、平面度、振動距離及速度等等，還可以分光進行多路測量。

3. 環(huán)境適應力強 即使光強衰減 90%，仍然可以得到有效的干涉信號。由于這一特點，雙頻激光干涉儀既可在恒溫、恒濕、防震的計量室內檢定量塊、量桿、刻尺、微分校準器和坐標測量機，也可以在普通的車間內為大型的機床的刻度進行標定。

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。

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,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,為機床誤差修正提供依據。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。

雙頻激光干涉儀以波長作為標準對被測長度進行度量的儀器。即使不做細分也可達到μm 量級，細分后更可達到n m量級。

雙頻激光干涉儀除了可用于長度的精密測量外，配上適當?shù)母郊€可測量角度、直線度、平面度、振動距離及速度等等。

即使光強衰減 90%，仍然可以得到有效的干涉信號。由于這一特點，雙頻激光干涉儀既可在恒溫、恒濕、防震的計量室內檢定量塊、量桿、刻尺、微分校準器和坐標測量機，也可以在普通的車間內為大型的機床的刻度進行標定。

現(xiàn)代的雙頻激光干涉儀測速普遍達到1 m/s，有的甚至于十幾m/s，適于高速動態(tài)測量。

雙頻激光干涉儀的發(fā)明使激光干涉儀最終擺脫了計量室的束縛，更為廣泛的應用于工業(yè)生產和科學研究中。

因此，對于雙頻激光干涉儀的研究有利于提高對該儀器的了解，以致于改進其性能，使其在計量方面有著更加廣泛的應用，具有重大意義。