激光幹涉儀:測量位移的儀器-中文百科頻道

簡介

激光具有高強度、高度方向性、空間同調性、窄帶寬和高度單色性等優點。常用來測量長度的幹涉儀。以激光波長為已知長度、利用邁克耳遜幹涉系統(見激光測長技術)測量位移的通用長度測量工具。激光幹涉儀有單頻的和雙頻的兩種。單頻的是在20世紀60年代中期出現的,最初用于檢定基準線紋尺,後又用于在計量室中精密測長。

雙頻激光幹涉儀是1970年出現的，它适宜在車間中使用。激光幹涉儀在極接近标準狀态（溫度為20℃、大氣壓力為101325帕、相對濕度59％、CO2含量0、03％）下的測量精确度很高，可達1×10-7。

基本原理

激光器的出現，使古老的幹涉技術得到迅速發展，激光具有亮度高、方向性好、單色性及相幹性好等特點，激光幹涉測量技術已經比較成熟。激光幹涉測量系統應用非常廣泛：精密長度、角度的測量如線紋尺、光栅、量塊、精密絲杠的檢測；精密儀器中的定位檢測系統如精密機械的控制、校正；大規模集成電路專用設備和檢測儀器中的定位檢測系統；微小尺寸的測量等。

在大多數激光幹涉測長系統中，都采用了邁克爾遜幹涉儀或類似的光路結構。

類型

1、單頻激光幹涉儀

從激光器發出的光束，經擴束準直後由分光鏡分為兩路，并分别從固定反射鏡和可動反射鏡反射回來會合在分光鏡上而産生幹涉條紋。當可動反射鏡移動時，幹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号，經整形、放大後輸入可逆計數器計算出總脈沖數，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)，算出可動反射鏡的位移量L。使用單頻激光幹涉儀時，要求周圍大氣處于穩定狀态，各種空氣湍流都會引起直流電平變化而影響測量結果。

2、雙頻激光幹涉儀

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,激光器産生f1和f2兩個不同頻率的左旋和右旋圓偏振光。經1/4波片後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後成為含有頻率為f1-f2的參考光束。另一路經偏振分光鏡後又分為兩路：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後成為含有f2±Δf的光束，Δf是可動反射鏡移動時因多普勒效應産生的附加頻率,正負号表示移動方向(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産生變化)。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後會合成為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、整形器後進入減法器相減,輸出成為僅含有±Δf的電脈沖信号。經可逆計數器計數後，由電子計算機進行當量換算（乘 1/2激光波長）後即可得出可動反射鏡的位移量。雙頻激光幹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，所以抗幹擾能力強。它常用于檢定測長機、三坐标測量機、光刻機和加工中心等的坐标精度，也可用作測長機、高精度三坐标測量機等的測量系統。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。

全球的競争和質量标準的要求，對機床提出了更高的定位精度、更小的公差及更高的進給率。為了達到這些要求并生産出高品質高精度的零件，必須要測量機床的三維體積定位精度。

産生

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幹涉現象，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，由此導緻“以太”說的破滅和相對論的誕生。它首次用于幹涉儀，以镉紅譜線與國際米原器作對比。正是由于他的工作導緻後來用光的波長定義“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研制成功第一台紅寶石激光器，從此開始了光學技術飛速發展的新時代。從此，激光幹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，成為現代幹涉儀。

1982年G．Binning和H．Rohrer研制成功掃描隧道顯微鏡，1986年發明原子力顯微鏡，1986年獲得諾貝爾獎。從此開始了幹涉儀向納米、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幹性，自問世以來，已研制出多種激光幹涉儀：單頻激光幹涉儀、雙頻激光幹涉儀、半導體激光幹涉儀、法布裡-珀羅（F-P）幹涉儀、X射線幹涉儀等。

激光幹涉儀是激光在計量領域中最成功的應用之一。利用光的幹涉實現測量，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。

應用

（1）CO2激光幹涉儀

CO2激光器是一種非常适合無導軌激光測量的光源，它在10、6μm波段具有豐富的譜線，相鄰譜線的波長差分布也比較均勻，構成的“合成波長鍊”的波長可從10、6μm到25m，因此，CO2激光幹涉儀一直是無導軌激光幹涉儀的研究重點。從1979年開始，由直流幹涉系統到各種形式的光外差系統，CO2激光幹涉儀曆經多次改進，其中一種典型方案是上世紀九十年代澳大利亞研制的外差幹涉儀，它通過激光器的腔長控制，順序輸出6種波長，用聲光調制器的零級衍射作為本振光，構成外差系統，測量精度可達4×10-8。

（2）Ne-Xe激光幹涉儀

Ne-Xe激光器可以輸出3、53μm和3、37μm兩個波長，合成波長為84、2μm。從“合成波長鍊”的角度考慮，波長過短難以保證測量結果的唯一性，為此，系統加入了He-Ne激光器的3、39μm譜線，将“合成波長鍊”延伸到464μm。Ne-Xe激光幹涉儀的最大優點是結構簡單，測量精度可達1、8×10-7。

（3）He-Ne激光幹涉儀

中國計量科學研究院研制的縱向塞曼He-Ne激光幹涉儀，與成都工具研究所開發的雙頻激光幹涉儀不同，其穩頻點選在兩條激光增益曲線之間，産生一對頻差為1080MHz的左、右旋偏振光（這兩個偏振光不在同一增益曲線上），合成波長為278mm。利用光栅測量幹涉的剩餘相位。系統測量長度可達100m，測量精度為±（40+1、5×10-6）。

He-Ne激光器在3、39μm處譜線豐富，但其中3、3922μm譜線的自發輻射系數比其它譜線大很多，抑制了其它譜線的發射。清華大學利用甲烷在3、3922μm附近的一條吸收譜線，抑制了He-Ne激光這條譜線的強度，成功研制出了3、39μm波段雙波長激光幹涉儀，其“合成波長鍊”從3、39μm到1m，單波穩定性為1×10-8。

（4）變波長激光幹涉儀

變波長激光幹涉儀采用兩個激光器，利用諧振腔長與輸出頻率的關系，構成“無級”的波長系列，在理想的環境下，13m長度範圍的測量精度為70μm。

（5）線性調頻半導體激光幹涉儀

近年來，半導體激光器線性調頻技術的發展，為無導軌激光幹涉儀提供了一個理想的光源，成為無導軌激光幹涉技術研究的熱點。1995年，德國采用了外腔可調諧式半導體激光器，其外腔由全息光栅組成，通過改變光栅的角度進行頻率選擇，相幹長度可達100m，40m長度範圍的分辨率可達40μm。

無導軌激光幹涉儀技術的發展僅有二十多年的曆史，由于它在大尺寸測量中具有無可替代的重要性，因此各國學者傾注了大量精力進行研究開發，目前這項技術逐步走向實用化階段。随着科技的發展，相信在不久的将來，無導軌激光幹涉儀技術必将成為大尺寸測量領域中的一朵豔麗的奇葩。

雙頻激光

1、雙頻激光幹涉儀原理

雙頻激光幹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，在全内腔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波片之後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産生拍頻。這個拍頻頻率恰好等于激光器所發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。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後返回，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，那麼f1的返回光便有了變化成為（f1±Δf）。這束光返回後重新通過偏振分光棱鏡并與f2的返回光會合，然後到45°放置的檢偏器上産生拍頻被光電元件接收，進入前置放大器和計算機。計算機對兩路信号進行比較，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和時間求得被測長度。

雙頻激光幹涉儀中，雙頻起到了調頻的作用，被測信号隻是疊加在這一調頻副載波上，這副載波與被測信号一起均被接收并轉換成電信号。

2、雙頻激光幹涉儀在大尺寸測量中的應用

雙頻激光幹涉儀是精度最高、可靠性非常好的儀器，是高精度大尺寸測量中優先考慮的測量手段。

（1）雙頻激光幹涉儀測量大尺寸軸徑

雙頻激光幹涉儀是一種增量式測長儀。在時間t内，被測長度對應的多普勒頻差為計數器記得的脈沖數K。計數器計脈沖數時，需要有信号控制計數器開始計數和停止計數，此信号由準直系統提供。當準直系統對準被測軸徑的測量起點時，發出一個開始計數信号；當準直系統對準被測的測量終點時，發出一個停止計數信号，計數器停止計數。所以準直系統對準的精度直接影響測量系統準确度。激光準直的工作原理為，由氦氖激光器發射出激光，經過前端望遠鏡系統後，發射是出一束激光束作為系統準直的基準，光電目标靶為準直系統的接收裝置，常用的是矽光電探測器。

3、雙頻激光幹涉儀在數控車床檢定中的應用

雙頻激光幹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據,更接近機床的實際使用狀态。與傳統的檢定方法相比,激光幹涉儀具有較高的精度和效率,并能及時處理數據,為機床誤差修正提供依據。因此,用雙頻激光幹涉儀檢測機床各項誤差是一種用傳統測量手段難以實現的的技術。位置精度是機床的重要指标,目前世界各國機床檢定标準中都推薦使用激光幹涉儀進行該項精度的檢定。用雙頻激光幹涉儀檢定位置精度使用長度幹涉儀和測量反射鏡,測量時将長度幹涉儀置于不動位置,反射器安裝在運動部件上(也可相反)。