激光干涉仪

激光干涉仪是一种以波长作为标准对被测长度进行测量的仪器。激光干涉仪是20世纪60年代末期问世的一种新型的测量设备,由美国HP公司研制成功并于1970年投入市场,随即受到了相关行业特别是机床制造业的重视,其主要在：线形、角度、垂直度、直线度、平面度等方面上应用。随着激光干涉仪测量技术的不断提高,测量软件的不断开发其测量范围越来越广泛,特别是在测量数控机床位置精度方面用途最为广泛。

激光干涉仪发射单一频率光束射入线性干涉镜,然后分成两道光束,一道光束（参考光束）射向连接分光镜的反射镜,而第二道透射光束（测量光束）则通过分光镜射入第二个反射镜,这两道光束再反射回到分光镜,重新汇聚之后返回激光器,其中会有一个探测器监控两道光束之间的干涉（见图）。

若光程差没有变化时,探测器会在相长性和相消性干涉的两极之间找到稳定的信号。若光程差有变化时,探测器会在每一次光程变化时,在相长性和相消性干涉的两极之间找到变化信号,这些变化会被计算并用来测量两个光程之间的差异变化。

1、单频激光干涉仪

从激光器发出的光束,经扩束准直后由分光镜分为两路,并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来会合在分光镜上而产生干涉条纹。当可动反射镜移动时,干涉条纹的光强变化由接受器中的光电转换元件和电子线路等转换为电脉冲信号,经整形、放大后输入可逆计数器计算出总脉冲数,再由电子计算机按计算式式中λ为激光波长(N 为电脉冲总数),算出可动反射镜的位移量L。使用单频激光干涉仪时,要求周围大气处于稳定状态,各种空气湍流都会引起直流电平变化而影响测量结果。

2、双频激光干涉仪

双频激光干涉仪是在单频激光干涉仪的基础上发展而来的一种外差式干涉仪。

在氦氖激光器上,加上一个约0.03特斯拉的轴向磁场。由于塞曼分裂效应和频率牵引效应,激光器产生f1和f2两个不同频率的左旋和右旋圆偏振光。经1/4波片后成为两个互相垂直的线偏振光,再经分光镜分为两路。一路经偏振片1后成为含有频率为f1-f2的参考光束。另一路经偏振分光镜后又分为两路：一路成为仅含有f1的光束,另一路成为仅含有f2的光束。当可动反射镜移动时,含有f2的光束经可动反射镜反射后成为含有f2±Δf的光束,Δf是可动反射镜移动时因多普勒效应产生的附加频率,正负号表示移动方向(多普勒效应是奥地利人C.J.多普勒提出的,即波的频率在波源或接受器运动时会产生变化)。这路光束和由固定反射镜反射回来仅含有f1的光的光束经偏振片 2后会合成为f1-(f2±Δf）的测量光束。测量光束和上述参考光束经各自的光电转换元件、放大器、整形器后进入减法器相减,输出成为仅含有±Δf的电脉冲信号。经可逆计数器计数后,由电子计算机进行当量换算（乘 1/2激光波长）后即可得出可动反射镜的位移量。双频激光干涉仪是应用频率变化来测量位移的,这种位移信息载于f1和f2的频差上,对由光强变化引起的直流电平变化不敏感,所以抗干扰能力强。它常用于检定测长机、三坐标测量机、光刻机和加工中心等的坐标精度,也可用作测长机、高精度三坐标测量机等的测量系统。利用相应附件,还可进行高精度直线度测量、平面度测量和小角度测量。

国内双频激光干涉仪生产企业主要有北京镭测科技有限公司,该公司的产品技术和工作人员主要来自于清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,拥有自主知识产权,技术指标达到或优于国外产品同等水平。

1604年开普勒（J．Kepler）写出光学著作,指出光的强度和到达光源距离的平方成反比。并于1611年出版《折射光学》。

1801年托马斯•杨（Thomas Young）用双狭缝实验演示了光的干涉现象,即著名的杨氏双缝实验。

1881年迈克尔逊（Albert．A．Michelson）设计了著名的实验来测量“以太”漂移。当然没测到漂移,由此导致“以太”说的破灭和相对论的诞生。它首次用于干涉仪,以镉红谱线与国际米原器作对比。正是由于他的工作导致后来用光的波长定义“米”。由于他在精密光学仪器、光谱和计量领域的研究工作于1907年获得诺贝尔奖。

1960年Maiman研制成功第一台红宝石激光器,从此开始了光学技术飞速发展的新时代。从此,激光干涉测量被广泛地用于长度、角度、微观形貌、转速、光谱等领域,并和微电子技术、计算机技术集成,成为现代干涉仪。

1982年G．Binning和H．Rohrer研制成功扫描隧道显微镜,1986年发明原子力显微镜,1986年获得诺贝尔奖。从此开始了干涉仪向纳米、亚纳米分辨率和精度前进的新时代。

由于激光具有极好的时间相干性,自问世以来,已研制出多种激光干涉仪：单频激光干涉仪、双频激光干涉仪、半导体激光干涉仪、法布里-珀罗（F-P）干涉仪、X射线干涉仪等。

激光干涉仪是激光在计量领域中最成功的应用之一。利用光的干涉实现测量,具有非接触、无损检测的特点,已经在各个不同领域得到广泛的应用。

单频的激光器它的一个根本弱点就是受环境影响严重,在测试环境恶劣,测量距离较长时,这一缺点十分突出。其原因在于它是一种直流测量系统,必然具有直流光平和电平零漂的弊端。激光干涉仪可动反光镜移动时,光电接收器会输出信号,如果信号超过了计数器的触发电平则就会被记录下来,而如果激光束强度发生变化,就有可能使光电信号低于计数器的触发电平而使计数器停止计数,使激光器强度或干涉信号强度变化的主要原因是空气湍流,机床油雾,切削屑对光束的影响,结果光束发生偏移或波面扭曲。这种无规则的变化较难通过触发电平的自动调整来补偿,因而限制了单频干涉仪的应用范围,只有设法用交流测量系统代替直流测量系统才能从根本上克服单频激光干涉仪的这一弱点。

而双频激光干涉仪正好克服了这一弱点,它是在单频激光干涉仪的基础上发展的一种外差式干涉仪。和单频激光干涉仪一样,双频激光干涉仪也是一种以波长作为标准对被测长度进行度量的仪器,所不同者,一方面是当可动棱镜不动时,前者的干涉信号是介于最亮和最暗之间的某个直流光平,而后者的干涉信号是一个频率约为1.5MHz的交流信号；另一方面,当可动棱镜移动时,前者的干涉信号是在最亮和最暗之间缓慢变化的信号,而后者的干涉信号是使原有的交流信号频率增加或减少了△f,结果依然是一个交流信号。因而对于双频激光干涉仪来说,可用放大倍数较大的交流放大器对干涉信号进行放大,这样,即使光强衰减90%,依然可以得到合适的电信号。由于这一特点,双频激光干涉仪可以在恒温,恒湿,防震的计量室内检定量块,量杆,刻尺和坐标测量机等,也可以在普通车间内为大型机床的刻度进行标定,既可以对几十米的大量程进行精密测量,也可以对手表零件等微小运动进行精密测量,既可以对几何量如长度、角度．直线度、平行度、平面度、垂直度等进行测量,也可以用于特殊场合,诸如半导体光刻技术的微定位和计算机存储器上记录槽间距的测量等等。

总之,双频激光干涉仪的优越性主要有以下几点：

1、精度高：双频激光干涉仪以波长作为标准对被测长度进行度量的仪器。即使不做细分也可达到μm 量级,细分后更可达到n m量级。(安捷伦5530激光干涉仪线性精度能达到0.4ppM)

2、应用范围广：双频激光干涉仪除了可用于长度的精密测量外,测量角度、直线度、平面度、振动距离及速度等等,还可以分光进行多路测量。

3、环境适应力强：即使光强衰减90%,仍然可以得到有效的干涉信号。由于这一特点,双频激光干涉仪既可在恒温、恒湿、防震的计量室内检定量块、量杆、刻尺、微分校准器和坐标测量机,也可以在普通的车间内为大型的机床的刻度进行标定。

双频激光干涉仪的发明使激光干涉仪最终摆脱了计量室的束缚,更为广泛的应用于工业生产和科学研究中。

随着航空航天、重型机械、发电设备、船舶工业的发展,对大尺寸测量的要求越来越高。一些精密配合的大型零部件,尺寸达到十几米甚至几十米,精度要求达到IT7以上。如何测量这些零部件长期以来一直是困扰计量工作者的技术难题。目前实际应用的测量手段仍以外径千分尺、内径测杆等传统测量工具为主,远远不能满足需求。清华大学曾研制出一套很好的对准方法,与激光干涉仪相结合,用于测量大尺寸可达到很高的精度,但该方法必须使用高精度导向导轨,限制了在生产、安装现场的使用。因此,开发高精度、无导轨大尺寸测量技术,一直是长度计量领域的一个重要课题。

激光技术的快速发展为大尺寸精密测量开拓了崭新的领域。近二十年来,出现了多种无导轨大尺寸测量方法,其中,受到广泛关注的无导轨激光干涉仪是近年来发展很快的一种先进测量方法。

小数重合法是无导轨激光干涉仪的基础。它是一种测量和数据处理方法,常用于量块检定中。通俗地说,这种测量方法就像用不同长度的几把“尺子”去量同一个物体,只要得到各次测量值的尾数,即可导出物体的实际长度,它并不关心测量的实际过程。

激光干涉仪是以波长为基本计量单位的,多波长激光器的发展,是实现不同长度“尺子”的基础。激光器可以稳定地输出多种波长的激光,利用光学拍波技术,可以将这些单波长合成为一组波长相近、间隔均匀的“合成波长链”。“合成波长链”是一个塔形结构,塔顶是最高一级合成波,其波长最长,塔底则是单波长。测量时,干涉仪以不同波长的激光工作,从最高级（最长波）开始,逐级下降,直至单波长。激光干涉仪的测量结果是在各种波长干涉下的一组剩余相位,以此可推导出总测量长度,由于每次的测量值都是剩余相位,与测量过程无关,因此不需要导向导轨。

选择合适的“合成波长链”是无导轨激光干涉仪的关键。长波干涉保证了测量值的唯一性,而测量精度则取决于短波干涉。为了简化测量过程,还有一种只使用一个合成波的方法,如采用几百毫米的合成波,借助于普通测量工具（如卷尺）测出大致的合成波周期数,剩余相位由干涉仪测出,这种方法只需一次测量即可完成,系统结构也非常简练,但由于所使用的波长较长,在测量精度上必然有所损失。

各国学者对无导轨激光干涉仪技术进行了大量研究,研制开发了各种激光干涉仪,归纳如下：

1、CO2激光干涉仪

CO2激光器是一种非常适合无导轨激光测量的光源,它在10.6μm波段具有丰富的谱线,相邻谱线的波长差分布也比较均匀,构成的“合成波长链”的波长可从10.6μm到25m,因此,CO2激光干涉仪一直是无导轨激光干涉仪的研究重点。从1979年开始,由直流干涉系统到各种形式的光外差系统,CO2激光干涉仪历经多次改进,其中一种典型方案是上世纪九十年代澳大利亚研制的外差干涉仪,它通过激光器的腔长控制,顺序输出6种波长,用声光调制器的零级衍射作为本振光,构成外差系统,测量精度可达4×10-8。

2、Ne-Xe激光干涉仪

Ne-Xe激光器可以输出3.53μm和3.37μm两个波长,合成波长为84.2μm。从“合成波长链”的角度考虑,波长过短难以保证测量结果的唯一性,为此,系统加入了He-Ne激光器的3.39μm谱线,将“合成波长链”延伸到464μm。Ne-Xe激光干涉仪的最大优点是结构简单,测量精度可达1.8×10-7。

3、He-Ne激光干涉仪

中国计量科学研究院研制的纵向塞曼He-Ne激光干涉仪,与成都工具研究所开发的双频激光干涉仪不同,其稳频点选在两条激光增益曲线之间,产生一对频差为1080MHz的左、右旋偏振光（这两个偏振光不在同一增益曲线上）,合成波长为278mm。利用光栅测量干涉的剩余相位。系统测量长度可达100m,测量精度为±（40+1.5×10-6）。

He-Ne激光器在3.39μm处谱线丰富,但其中3.3922μm谱线的自发辐射系数比其它谱线大很多,抑制了其它谱线的发射。清华大学利用甲烷在3.3922μm附近的一条吸收谱线,抑制了He-Ne激光这条谱线的强度,成功研制出了3.39μm波段双波长激光干涉仪,其“合成波长链”从3.39μm到1m,单波稳定性为1×10-8。

4、变波长激光干涉仪

变波长激光干涉仪采用两个激光器,利用谐振腔长与输出频率的关系,构成“无级”的波长系列,在理想的环境下,13m长度范围的测量精度为70μm。

5、线性调频半导体激光干涉仪

近年来,半导体激光器线性调频技术的发展,为无导轨激光干涉仪提供了一个理想的光源,成为无导轨激光干涉技术研究的热点。1995年,德国采用了外腔可调谐式半导体激光器,其外腔由全息光栅组成,通过改变光栅的角度进行频率选择,相干长度可达100m,40m长度范围的分辨率可达40μm。

无导轨激光干涉仪技术的发展仅有二十多年的历史,由于它在大尺寸测量中具有无可替代的重要性,因此各国学者倾注了大量精力进行研究开发,目前这项技术逐步走向实用化阶段。随着科技的发展,相信在不久的将来,无导轨激光干涉仪技术必将成为大尺寸测量领域中的一朵艳丽的奇葩。

随着20世纪60年代初激光的出现,几何量计量技术的发展步入了崭新的时期。双频激光干涉仪正是利用激光具有频率稳定、单色性好等优点,在几何量计量领域发挥着越来越重要的作用。双频激光干涉仪具有精度高、应用范围广、环境适应能力强、实时动态测速高等一系列无可比拟的优势,成为几何量计量活动的生力军。相比于激光干涉仪,现代双频激光干涉仪摆脱了计量室的束缚,在越来越广阔的工程测量领域大显身手。因此,双频激光干涉的发明对计量事业的发展乃至整个科学事业的发展有着举足轻重的作用。本文根据双频激光干涉仪应用领域的最新发展,对双频激光干涉仪的应用进行了简要的总结。

双频激光干涉仪的发明把几何量计量发展推向了又一个高峰,双频激光干涉仪是目前精度最高、量程最大的长度计量仪器,以其良好的性能、在很多场合,特别是在大长度与大位移的精密测量中得到广泛应用。就长度计量而言,通常将200m以上的测量称为距离测量（Distance Measurement）,3m以下的称为一般长度测量,3~200m之间的测量称为大尺寸测量(Large Dimension Measurement)[1]。双频激光干涉仪在一般长度精密测量中多有使用。双频激光干涉仪可以在恒温,恒湿,防震的计量室内检定量块,量杆,刻尺和坐标测量机等,也可以在普通车间内为大型机床的刻度进行标定,既可以对几十米的大量程进行精密测量,也可以对手表零件等微小运动进行精密测量,既可以对几何量如长度、角度．直线度、平行度、平面度、垂直度等进行测量,也可以用于特殊场合,诸如半导体光刻技术的微定位和计算机存储器上记录槽间距的测量等等。不仅在单纯的长度计量领域,在其他工程技术领域,双频激光干涉仪的应用也越来越广泛,不乏一些很有创见的应用。关于双频激光干涉仪在解决某个工程测量问题的研究已经有非常多的成功案例,以双频激光干涉仪为关键词的学术论文不胜枚举,对双频激光干涉仪的应用,国内外很多学者常常有很独到的理解。双频激光干涉仪的应用也不断发展更新,所以,有必要对它的应用做一些有益的总结,使人们更好的理解双频激光干涉仪的应用,为推动生产发展提供一些理论依据。

一、 双频激光干涉仪原理

双频激光干涉仪的原理是建立在塞曼效应、牵引效应和多普勒效应的基础之上的。其原理如图2所示,在全内腔He-Ne激光器上加约0.03T的轴向磁场,由于塞曼效应和牵引效应,发出一束含有两个不同频率的左旋和右旋圆偏振光,它们的频率差大约是1.5MHz左右。这束光经1/4波片之后成为两个互相垂直的线偏振光,再经平行光管准直和扩束。从平行光管出来的这束光经过析光镜反射出一小部分作为参考光束通过45°放置的检偏器。并由马吕斯定律可知,两个垂直方向的线偏振光在45°方向上投影,形成新的线偏振光并产生拍频。这个拍频频率恰好等于激光器所发出的两个光频的差值即（f1-f2）,约为1.5MHz。经光电元件接受进入前置放大器和计算机。另一部分透过析光镜沿院方向射向偏振分光棱镜。互相垂直的线偏振光f1和f2被分开。f2射向参考立体直角锥棱镜后返回,f1透过偏振分光棱镜到立体直角锥棱镜——测量棱镜,这时如果它以速度v运动,那么f1的返回光便有了变化成为（f1±Δf）。这束光返回后重新通过偏振分光棱镜并与f2的返回光会合,然后到45°放置的检偏器上产生拍频被光电元件接收,进入前置放大器和计算机。计算机对两路信号进行比较,计算它们之间的差值±Δf（即多普勒频差）。进而可以根据立体直角棱镜移动度数和时间求得被测长度。

双频激光干涉仪中,双频起到了调频的作用,被测信号只是叠加在这一调频副载波上,这副载波与被测信号一起均被接收并转换成电信号。

二、双频激光干涉仪在大尺寸测量中的应用

双频激光干涉仪是精度最高、可靠性非常好的仪器,是高精度大尺寸测量中优先考虑的测量手段。

1、双频激光干涉仪测量大尺寸轴径

双频激光干涉仪是一种增量式测长仪。在时间t内,被测长度对应的多普勒频差为计数器记得的脉冲数K。计数器计脉冲数时,需要有信号控制计数器开始计数和停止计数,此信号由准直系统提供。当准直系统对准被测轴径的测量起点时,发出一个开始计数信号；当准直系统对准被测的测量终点时,发出一个停止计数信号,计数器停止计数。所以准直系统对准的精度直接影响测量系统准确度。激光准直的工作原理为,由氦氖激光器发射出激光,经过前端望远镜系统后,发射是出一束激光束作为系统准直的基准,光电目标靶为准直系统的接收装置,常用的是硅光电探测器。

三、双频激光干涉仪在数控车床检定中的应用

双频激光干涉仪与不同光学附件结合,可以测量距离、直线度、垂直度、平行度、平面度。由于仪器为模块化结构,安装位置灵活,便于分析机床误差来源;而且测量时可以在工作部件运动过程中自动采集数据,更接近机床的实际使用状态。与传统的检定方法相比,激光干涉仪具有较高的精度和效率,并能及时处理数据,为机床误差修正提供依据。因此,用双频激光干涉仪检测机床各项误差是一种用传统测量手段难以实现的的技术。位置精度是机床的重要指标,目前世界各国机床检定标准中都推荐使用激光干涉仪进行该项精度的检定。用双频激光干涉仪检定位置精度使用长度干涉仪和测量反射镜,测量时将长度干涉仪置于不动位置,反射器安装在运动部件上(也可相反) 。双频激光干涉仪在数控机床检定上的应用,即是对其各项形位误差的检定,在此不予赘述。