激光干涉儀是以激光波長為長度計量基準的高精度測量儀器，隨著雙頻激光干涉儀的出現(xiàn)，因其具有性能穩(wěn)定、檢測精度高及數(shù)據(jù)可靠性好等優(yōu)點，已成為高精密機械生產中校準及補償?shù)臉藴蕛x器，在機械制造、金屬切削加工及航空航天等領域得到了廣泛的應用。激光干涉儀有單頻和雙頻之分，單頻激光干涉儀受環(huán)境因素影響較大，一般用于特定環(huán)境的實驗室。雙頻激光干涉儀應用頻率變化來測量位移，對由光強變化引起的直流電平變化不敏感，抗干擾能力強，廣泛應用于各種工況下。

激光干涉儀技術

激光干涉儀通常采取邁克爾遜干涉儀形式，由于反射器的作用，直接接收的脈沖當量為λ/2(約0.3μm)，對于精密測量來說，顯然是不夠的。如何提高激光干涉儀系統(tǒng)的...[查看全部]

激光干涉儀以光波為載體，具有測量精度高、測量速度快、測量范圍大、最高測速下分辨率高等特點，其光波波長可直接對米進行定義并溯源至國家標準。因此，激光干涉儀廣泛應用于數(shù)控機床、PCB鉆孔機、坐標測量機、位移傳感器等精密儀器的質量控制與校準以及科研開發(fā)、高端設備制造等領域。

激光干涉儀的工作原理

激光干涉儀發(fā)射單一頻率光束，光束射入線性干涉鏡后分成兩道光束射向反射鏡，這兩道光束再反射回到分光鏡，最后重新匯聚返回激光干涉儀。若光程差沒有變化時，激光干涉儀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，這些變化會被計算并用來測量兩個光程之間的差異變化。

當高壓連接在陽極和陰極之間時，混合氣體被激發(fā)，形成激光光束，通過放大激光光強使一些光透射出來成為輸出激光光束。其中，為實現(xiàn)平衡狀態(tài)，通過加熱器控制激光管長度讓激光穩(wěn)頻的精度保持在±0.05ppm以內，此時穩(wěn)定輸出后，激光器即可進行干涉測量。如今大多數(shù)現(xiàn)代位移干涉儀都使用氦氖(HeNe)激光管，這些激光管具有633納米的波長輸出。

激光器的頻率、功率、穩(wěn)定性、可靠性、光束質量及壽命等指標參數(shù)，都關系著激光干涉儀的最終性能。其中激光頻率是激光干涉儀最基本的參數(shù)，其頻率(波長)的準確性和穩(wěn)定性是激光干涉儀測量精度的保證。

激光干涉儀的發(fā)展歷史

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Binning和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、

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由于激光具有極好的時間相干性，其相干距離可以達到數(shù)公里，所以自激光問世以來，以激光為光源的激光干涉儀一直被人們所關注，其應用范圍不斷擴展，激光干涉儀技術也不斷發(fā)展，出現(xiàn)了各種形式的激光干涉儀。

單頻激光干涉儀

單頻激光干涉儀是最早出現(xiàn)的激光干涉儀系統(tǒng)，但是由于直流漂移的影響，多用于實驗室的專用設備中，在相當時期內沒有推廣到現(xiàn)場使用。

下圖是一種帶有補償?shù)膯晤l激光干涉儀，線偏振光通過1/4波片Q1成為圓偏振光，在偏振分光器PBS的分光面上分解為P、S二個分量，在動鏡M移動時，P光產生多普勒頻移Δf，S光頻率不變，2束光返回后經1/4波片Q2成為帶有干涉信息的旋轉線偏振光，為檢偏器，其光軸方向依次相差45°，干涉信號由光電接收器接受并輸入到運算放大器。

D1、D2、D3接受的三路信號相位依次為0°、90°、180°，它們對應的光程是完全一致的，有效地補償了由于測量距離過長引起的信號衰減和各類干擾。

單頻激光干涉儀的測量速度在原理上沒有限制，主要取決于放大器的帶寬和電子器件的速度。

用于單頻激光干涉儀的穩(wěn)頻方法主要有Lamb凹陷法和雙縱模穩(wěn)頻法，Lamb凹陷法根據(jù)由于增益介質的增益飽和，使激光器的輸出在中心頻率處出現(xiàn)凹陷的特點，利用壓電陶瓷來控制腔長，這種方法多用于使用環(huán)境較好的系統(tǒng);雙縱模穩(wěn)頻法利用控制激光輸出的二個縱模強度來控制腔長，由于模式競爭，二個輸出縱模取相互垂直的偏振狀態(tài)，抑制其中一個偏振，從而得到單頻激光，是目前常用的單頻穩(wěn)頻方法。

基于塞曼效應的雙頻激光干涉儀

雙頻激光干涉儀屬外差式激光干涉儀。

全內腔激光器置于磁場中，Ne原子的能級發(fā)生塞曼分裂，當磁場軸向放置時，激光器的輸出為具有一定頻差的兩個方向相反的圓偏振光，而在磁場橫向放置時，激光器的輸出為具有一定頻差的兩個偏振方向相互垂直的線偏振光，以這樣的光源構成的雙頻激光干涉儀原理如下圖，光電探測器D

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激光干涉儀具有快速、高準確測量的優(yōu)點，是校準數(shù)字機床、坐標測量機及其它定位裝置精度及線性指標最常用的標準儀器，掌握一些激光干涉儀的使用技巧會使測量互作事半功倍。

激光干涉儀使用技巧

1、Z軸激光光路快速準直方法

用激光干涉儀進行線性測量時，Z軸測量時激光光路的準直相對X、Y軸準直來說，要困難的多。尤其是在Z軸距離較長的情況下，要保證激光光束經反射鏡反射后回到激先探測器的強度滿足測量對對光強的要求，準直激光光路往往需要很長時間。

Z軸激光光路快速準直方法具體調整方法如下：Z軸置于低處，利用激光器外殼中部的瞄準槽，正對Z軸放置分光鏡，左右移開Z軸，觀察激光光路，保證激光轉向后大致平行于Z軸，左右移回Z軸放置線性反射鏡及光靶(可以蓋在反射或分光鏡上以幫助入眼瞄準及控制光路的靶)，激光打在反射鏡光靶上。

激光干涉儀初步調整后，固定分光鏡并在分光鏡上安裝光靶，通過“整體”調整精確瞄準光靶后，取下分光鏡光靶，將Z軸升高，觀察激光在反光鏡光靶上偏離程度，同時透過“尾部”調整使激光對準反光鏡光靶，若在此過程中因“尾部”的調整導致分光鏡遮擋了部分激光，則將Z軸停止上升回到起始處，重新調整“整體”，再次對準反射鏡光靶。緊接著再升Z軸，繼續(xù)調整“尾部”，觀察激光在反光鏡光靶上偏離程度。重復整個過程，往往幾次即可達到準直要求。

2、輔助工具的選擇

雖然激光干涉儀安裝組件比較齊全，但在實際使用過程中還是需要另外配置一些輔助工具：

①研制低高度云臺支架

部分機床工作臺高度與地面是基本相平的，那么測量Z軸時，如果使用激光干涉儀原裝三角架及云臺安放激光器于地面，則肯定會因為三角架本身的高度，損失測量范圍。

②選擇磁性表座

磁性表座是激光干涉儀常用的輔助工具，選擇時需要注意，表座工作面上需有螺孔以配合安裝鏡組安裝桿，主磁性吸面位于底面和側面的表座各選擇兩個(實驗室或工廠多采用的是主磁性

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激光干涉儀通常采取邁克爾遜干涉儀形式，由于反射器的作用，直接接收的脈沖當量為λ/2(約0.3μm)，對于精密測量來說，顯然是不夠的。如何提高激光干涉儀系統(tǒng)的分辨率是激光干涉儀中的重要技術，有多種激光干涉儀的細分方法，概括起來為光學細分和電子細分兩大類。

激光干涉儀的光學細分方法

所謂激光干涉儀的光學細分方法是指利用動臂光路的多次反射而實現(xiàn)的細分方法，細分數(shù)是光束在動臂中往返次數(shù)的2倍。如在邁克爾遜干涉儀中，光束在動臂中往返1次，實現(xiàn)了光學2細分，分辯率為λ/2。

激光干涉儀的電子細分方法

光學細分是以犧牲激光干涉儀的測量速度為代價的，光學細分數(shù)即激光干涉儀測量速度降低的倍數(shù)，在HP系統(tǒng)中使用HP10716A高分辯率激光干涉儀的測量速度由700mm/sec(HP5529A)降到175mm/sec，此外光學細分的結構也過于復雜，難以實現(xiàn)高倍細分，因此電子細分是激光干涉儀的主要細分方法。

單頻激光干涉儀電子細分：

在單頻激光干涉儀中，光電接收器接收的2個相位差90°是電子細分和辨向的基礎，將這二個信號整形、反向后，用取沿口的辦法可直接得到4細分的信號(A/8)。對于高倍細分，一般采用微機細分的方法，將正弦和余弦信號經A/D轉換為數(shù)字量，利用正弦信號的符號、余弦信號的符號和正弦信號與余弦信號的相對大小這樣三個判斷條件，將一個干涉信號的周期分為8個45°的區(qū)間，軟件首先判斷即時干涉信號所屬的區(qū)間，然后將正弦和余弦信號相除，得到正切或余切值，以此值查表(反正切表或反余切表)，得到此時的干涉信號相位值，達到細分目的。若按11.25°間隔制表，可達到32細分，在標準的邁克爾遜干涉儀中，分辯率達到10nm。

聲光頻移的雙頻激光干涉儀電子細分：

基于聲光頻移的雙頻激光干涉儀在測量過程中，測量方波的上升沿連續(xù)采樣三角波，并經A/D轉換為數(shù)字量，一套附加電路判斷三角波的上升或下降沿，并

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