干涉仪

激光具有高强度、高度方向性、空间同调性、窄带宽和高度单色性等优点。目前常用来测量长度的干涉仪,主要是以迈克尔逊干涉仪为主,并以稳频氦氖激光为光源,构成一个具有干涉作用的测量系统。激光干涉仪可配合各种折射镜、反射镜等来作线性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等测量工作,并可作为精密工具机或测量仪器的校正工作。

英文名称：laser interferometer（激光干涉仪）

激光干涉仪有单频的和双频的两种。

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[356-11]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。

双频激光干涉仪

激光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1和2两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。

长度测量

在双光束干涉仪中,若介质折射率均匀且保持恒定,则干涉条纹的移动是由两相干光几何路程之差发生变化所造成,根据条纹的移动数可进行长度的精确比较或绝对测量。迈克耳孙干涉仪和法布里-珀罗干涉仪曾被用来以镉红谱线的波长表示国际米。

折射率测定

两光束的几何路程保持不变,介质折射率变化也可导致光程差的改变,从而引起条纹移动。瑞利干涉仪就是通过条纹移动来对折射率进行相对测量的典型干涉仪。应用于风洞的马赫-秦特干涉仪被用来对气流折射率的变化进行实时观察。

波长的测量

任何一个以波长为单位测量标准米尺的方法也就是以标准米尺为单位来测量波长的方法。以国际米为标准,利用干涉仪可精确测定光波波长。法布里-珀罗干涉仪（标准具）曾被用来确定波长的初级标准（镉红谱线波长）和几个次级波长标准,从而通过比较法确定其他光谱线的波长。

检验光学元件

泰曼干涉仪被普遍用来检验平板、棱镜和透镜等光学元件的质量。在泰曼干涉仪的一个光路中放置待检查的平板或棱镜,平板或棱镜的折射率或几何尺寸的任何不均匀性必将反映到干涉图样上。若在光路中放置透镜,可根据干涉图样了解由透镜造成的波面畸变,从而评估透镜的波像差。

其他

用作高分辨率光谱仪。法布里-珀罗干涉仪等多光束干涉仪具有很尖锐的干涉极大,因而有极高的光谱分辨率,常用作光谱的精细结构和超精细结构分析。

历史上的作用。19世纪的波动论者认为光波或电磁波必须在弹性介质中才得以传播,这种假想的弹性介质称为以太。人们做了一系列实验来验证以太的存在并探求其属性。以干涉原理为基础的实验最为精确,其中最有名的是菲佐实验和迈克耳孙-莫雷实验。1851年,A.H.L.菲佐用特别设计的干涉仪做了关于运动介质中的光速的实验,以验明运动介质是否曳引以太。1887年,A.A.迈克耳孙和E.W.莫雷合作利用迈克耳孙干涉仪试图检测地球相对绝对静止的以太的运动。对以太的研究为A.爱因斯坦的狭义相对论提供了佐证。

原 因：

1、分光板膜层面反向。

2、两组出射光瞳错位。

3、分光板、补偿板、移动镜及参考镜有压应力。

检修方法：分光板膜层应是入射光的第二面,如装在第一面,则调出的等倾干圆涉环是直的椭圆形干涉环,可旋松分光板的三只宽头螺钉,取出分光 板,反过180°重新装入金属框内,把三只宽头螺钉旋到原来的压紧力。分光板调整请参考故障检修方法。分光板,补偿板的宽头螺钉,移动镜及参考镜的调节滚花螺钉压紧 力过大,使各镜片逐步变形产生等倾干涉圆环不规则,适当放松过紧的 螺钉即可消除。

二、读数空位大于 0.03mm

原 因：

1、传动螺母和丝杆的配合间隙大。

2、拖板体下面的顶块间隙偏大。

3、档板与导轨配合过松。

检修方法：可先调整顶块间隙,拖板体在工作状态下旋松顶块螺钉,左手大拇 指将拖板体向读数头方向轻推,中指压紧顶块,然后固紧顶块螺钉。如果仍未达到要求,调整档板与导轨的间隙达 0.02mm,再调节传动螺母上 的两只螺钉（老产品有四只）。

三、 转动粗动手轮时拖板不走。

原 因：

1、仪器受强烈冲击后,丝杆向尾架方向脱出,造成读数头啮合齿轮错位。

2、 传动小齿轮固紧螺母松动, 造成传动小齿轮与丝杆打滑。

3、大齿轮及粗动手轮的压紧螺母松动。

检修方法：首先检查粗动手轮压紧螺母,然后检查精密丝杆是否向尾架方向脱出,如已脱出,可松动尾架三只螺钉,一面将丝杆推向读数头,一面慢慢转动粗动手轮,最后旋紧尾架三只螺钉,如果是小齿轮固紧螺母和大齿轮固紧螺母松动,先拆去传动盒盖,再拆下门字架,固紧螺母,重新依次装配即可。

四、转动微动手轮时拖板不走。

原 因：

1、传动小齿轮压紧螺母松,使盆形弹簧片无压紧力,造成 蜗轮空转。

2、粗微动有脱开机构的干涉仪,蜗杆压紧弹簧片失灵。

3、微动手轮压紧螺母松。

检修方法：先检查微动手轮的压紧螺母。然后打开传动盒盖,取下门字架,旋紧传动小齿轮压紧螺母,使盆形弹簧片压紧蜗轮,此时转动蜗轮应带动精密丝杆,依次装好拆下的另件。 如果是脱开机构,应检查蜗杆拖板是否已被压死。如被压死,可拆 下左右压块,清洗、上油（7101 油脂）重新装配即可,如蜗杆拖板较松,说明蜗杆拖板的弹簧压力减小,1、可拆下弹簧改小 R 增加弹性。2、调换弹簧片。

五、转动粗动手轮时,等倾干涉环从中心向外漂移。

原 因：入射的光源不垂直于移动镜。

检修方法：此种现象,并非仪器故障,主要是入射的光源不垂直于移动镜,因多数易误解为导轨直线性不好所致,故亦在此说明。首先调整干涉仪三只底脚调平螺钉,使仪器基本按放水平,然后调整光源,使扩束激光充满固定镜,将移动镜调至零光程附近,转动粗动手轮调等倾直条纹,说明扩束激光基本垂直于移动镜,此时转动粗动手轮出现的干涉圆环就不 会漂移。

六、白光干涉条纹不对称。

原 因：

1、受运输冲击或使用过程中碰过分光板和补偿板两板平行 度已被破坏。

检修方法：调整分光板与补偿板的平行性,在没有自准直仪时,可通过两板同时观察室内目标物。如日光灯,调节两板上的宽头螺钉,使双象基本重合,这时调出的白光彩色条纹可达到基本对称,如仍有不对称现象,可调节补偿板的三只宽头螺钉达到完全对称。

七、 波长测定值偏长。

原 因：

1、拖板体测面弹簧片压力太紧。

2、档板与导轨配合过紧。

3、导轨面润滑油脂太厚。

4、蜗轮稍有打滑。

5、丝杆尾架压紧力偏小。

检修方法：先检查拖板体测面的弹簧片是否太紧,如太紧可将弹簧变形减少压力的办法解决。第二取下拖板体,检查开合螺母上的档板与导轨面的配合是否过紧,如过紧可调整档板,旋松两只螺钉,提高档板与导轨接触 处垫入 0.02mm 厚的锡片,放下档板,固紧螺钉,拿掉锡片。第三导轨如加上厚的油脂,会使拖板增加阻尼或厚的油脂上带有杂质,会使拖板不 按导轨直线移动。应清洗后重新上油。第四检查尾架内的弹簧,如压紧 力偏小,可把滚花螺套旋出,将弹簧拉长即可。如遇蜗轮稍有打滑,检修时必须小心拆装,先拆下传动盒盖,拆下门字架,取下小钢球,旋下小齿轮压紧螺母,用专用夹具取下读数盘, 平面轴承,盆形弹簧片、蜗轮等。在汽油中清洗、烘干,重新涂硬性润滑油脂（杭光 3#或 7107 油脂）,重新装配时可在平面轴承与读数盘之间 加 0.2mm 的金属垫片,手感磨擦力有所增加后,依次重新装配,再进行测量检查。

2、光学零件不用时,应存放在清洁的干燥盆内,以防止发霉。反光镜、分光镜一般不允许擦拭,必要擦拭时,须先用备件毛刷小心掸去灰尘,再用脱脂清洁棉花球滴上酒精和乙醚混合液轻拭。

3、传动部件应有良好的润滑。特别是导轨、丝杆、螺母与轴孔部分,应用T5精密仪表油润滑。

4、使用时,各调整部位用力要适当,不要强旋、硬扳。

5、导轨面丝杆应防止划伤、锈蚀,用毕后,仍保持不失油状态。

6、经过精密调整的仪器部件上的螺丝,都涂有红漆,不要擅自转动。

2、位置精度的检测及其自动补偿 可检测数控机床定位精度、重复定位精度、微量位移精度等。利用雷尼绍ML10激光干涉仪不仅能自动测量机器的误差,而且还能通过RS232接口自动对其线性误差进行补偿,比通常的补偿方法节省了大量时间,并且避免了手工计算和手动数控键入而引起的操作者误差,同时可最大限度地选用被测轴上的补偿点数,使机床达到最佳精度,另外操作者无需具有机床参数及补偿方法的知识。

目前,可供选择的补偿软件有Fanuc,Siemens 800系列,UNM,Mazak,Mitsubishi,Cincinnati Acramatic,Heidenhain, Bosch, Allen-Bradley。

3、数控转台分度精度的检测及其自动补偿 现在,利用ML10激光干涉仪加上RX10转台基准还能进行回转轴的自动测量。它可对任意角度位置,以任意角度间隔进行全自动测量,其精度达±1。新的国际标准已推荐使用该项新技术。它比传统用自准直仪和多面体的方法不仅节约了大量的测量时间,而且还得到完整的回转轴精度曲线,知晓其精度的每一细节,并给出按相关标准处理的统计结果。

4、双轴定位精度的检测及其自动补偿 雷尼绍双激光干涉仪系统可同步测量大型龙门移动式数控机床,由双伺服驱动某一轴向运动的定位精度,而且还能通过RS232接口,自动对两轴线性误差分别进行补偿。

5、数控机床动态性能检测 利用RENISHAW动态特性测量与评估软件,可用激光干涉仪进行机床振动测试与分析（FFT）,滚珠丝杠的动态特性分析,伺服驱动系统的响应特性分析,导轨的动态特性（低速爬行）分析等。

1、线性：0.5ppm .

2、测量范围：40米（1D可选80米）

3、线性分辨力：0.001um.

4、偏摆角和俯仰角的精度：（1.0+0.1/m）角秒或1%显示较大值

5、最大范围：800角秒

6、滚动角精度：1.0角秒

7、直线度精度：（1.0+0.2/m）um或1%显示较大值

8、直线度最大范围：500um

9、垂直度精度：1角秒

10、温度精度：0.2摄氏度

11、湿度精度：5%

12、压力精度：1mmHg

2、设计用于安装在机床主轴上的5D/6D传感器。

3、可选的无线遥控传感器最长的控制距离可到25米。

4、可测量速度、加速度、振动等参数，并评估机床动态特性。

5、全套系统重量仅15公斤，设计紧凑、体积小，测量机床时不需三角架。

6、集成干涉镜与激光器于一体，简化了调整步骤，减少了调整时间。

2、激光干涉仪的光源——激光,具有高强度、高度方向性、空间同调性、窄带宽和高度单色性等优点。

3、激光干涉仪可配合各种折射镜、反射镜等来使用。

4、仪器应放置在干燥、清洁以及无振动的环境中应用。

5、在移动仪器时,为防止导轨变形,应托住底座再进行移动。

6、仪器的光学零件在不用时,应在清洁干燥的器皿中进行存放,以防止发霉。

7、尽量不要去擦拭仪器的反光镜、分光镜等,如必须擦拭则应当小心擦拭,利用科学的方法进行清洁。

8、导轨、丝杆、螺母与轴孔部分等传动部件,应当保持良好的润滑。因此必要时要使用精密仪表油润滑。

9、在使用时应避免强旋、硬扳等情况,合理恰当的调整部件。

10、避免划伤或腐蚀导轨面丝杆,保持其不失油。

3、传动部件应有良好的润滑。特别是导轨、丝杆、螺母与轴孔部分,应用T5精密仪表油润滑。

4、使用时,各调整部位用力要适当,不要强旋、硬扳。

5、导轨面丝杆应防止划伤、锈蚀,用毕后,仍保持不失油状态。

6、 经过精密调整的仪器部件上的螺丝,都涂有红漆,不要擅自转动。