激光干涉儀

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。

1、單頻激光干涉儀

從激光器發(fā)出的光束，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)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(chǎn)生干涉條紋。當(dāng)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(zhuǎn)換元件和電子線路等轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，經(jīng)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(jié)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(chǔ)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(yīng)和頻率牽引效應(yīng),激光器產(chǎn)生f1和f2兩個不同頻率的左旋和右旋圓偏振光。經(jīng)1/4波片后成為兩個互相垂直的線偏振光,再經(jīng)分光鏡分為兩路。一路經(jīng)偏振片1后成為含有頻率為f1-f2的參考光束。另一路經(jīng)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(dāng)可動反射鏡移動時,含有f2的光束經(jīng)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(yīng)產(chǎn)生的附加頻率,正負(fù)號表示移動方向(多普勒效應(yīng)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(chǎn)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(jīng)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(jīng)各自的光電轉(zhuǎn)換元件、放大器、整形器后進(jìn)入減法器相減,輸出成為僅含有±Δf的電脈沖信號。經(jīng)可逆計數(shù)器計數(shù)后，由電子計算機進(jìn)行當(dāng)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(yīng)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(biāo)測量機、光刻機和加工中心等的坐標(biāo)精度，也可用作測長機、高精度三坐標(biāo)測量機等的測量系統(tǒng)。利用相應(yīng)附件，還可進(jìn)行高精度直線度測量、平面度測量和小角度測量。

國內(nèi)雙頻激光干涉儀生產(chǎn)企業(yè)主要有北京鐳測科技有限公司，該公司的產(chǎn)品技術(shù)和工作人員主要來自于清華大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于國外產(chǎn)品同等水平。

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

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(shè)計了著名的實驗來測量“以太”漂移。當(dāng)然沒測到漂移，由此導(dǎo)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(dǎo)致后來用光的波長定義“米”。由于他在精密光學(xué)儀器、光譜和計量領(lǐng)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(xué)技術(shù)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(zhuǎn)速、光譜等領(lǐng)域，并和微電子技術(shù)、計算機技術(shù)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(jìn)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(dǎo)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(lǐng)域中最成功的應(yīng)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(jīng)在各個不同領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

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單頻的激光器它的一個根本弱點就是受環(huán)境影響嚴(yán)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(jié)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(diào)整來補償，因而限制了單頻干涉儀的應(yīng)用范圍，只有設(shè)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(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)對被測長度進(jìn)行度量的儀器，所不同者，一方面是當(dāng)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(dāng)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(jié)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(jìn)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(nèi)檢定量塊，量桿，刻尺和坐標(biāo)測量機等，也可以在普通車間內(nèi)為大型機床的刻度進(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(biāo)準(zhǔn)對被測長度進(jìn)行度量的儀器。即使不做細(xì)分也可達(dá)到μm 量級，細(xì)分后更可達(dá)到n m量級。(安捷倫5530激光干涉儀線性精度能達(dá)到0.4PPM)

2. 應(yīng)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(jìn)行多路測量。

3. 環(huán)境適應(yīng)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(nèi)檢定量塊、量桿、刻尺、微分校準(zhǔn)器和坐標(biāo)測量機，也可以在普通的車間內(nèi)為大型的機床的刻度進(jìn)行標(biāo)定。

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，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、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(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)測量機等，也可以在普通車間內(nèi)為大型機床的刻度進(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。另一部分透過析光鏡沿院方向射向偏振分光棱鏡。互相垂直的線偏振光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(chǎn)生拍頻被光電元件接收，進(jìn)入前置放大器和計算機。計算機對兩路信號進(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(shù)。位置精度是機床的重要指標(biāo),目前世界各國機床檢定標(biāo)準(zhǔn)中都推薦使用激光干涉儀進(jìn)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)對被測長度進(jìn)行度量的儀器。即使不做細(xì)分也可達(dá)到μm 量級，細(xì)分后更可達(dá)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(dāng)?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(nèi)檢定量塊、量桿、刻尺、微分校準(zhǔn)器和坐標(biāo)測量機，也可以在普通的車間內(nèi)為大型的機床的刻度進(jìn)行標(biāo)定。

現(xiàn)代的雙頻激光干涉儀測速普遍達(dá)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(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)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(jìn)其性能，使其在計量方面有著更加廣泛的應(yīng)用，具有重大意義。