激光干涉儀是以激光波長(zhǎng)為長(zhǎng)度計(jì)量基準(zhǔn)的高精度測(cè)量?jī)x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(cè)精度高及數(shù)據(jù)可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，已成為高精密機(jī)械生產(chǎn)中校準(zhǔn)及補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)儀器，在機(jī)械制造、金屬切削加工及航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(shí)驗(yàn)室。雙頻激光干涉儀應(yīng)用頻率變化來測(cè)量位移，對(duì)由光強(qiáng)變化引起的直流電平變化不敏感，抗干擾能力強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于各種工況下。

激光干涉儀技術(shù)

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(dāng)量為λ/2(約0.3μm)，對(duì)于精密測(cè)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(cè)量精度高、測(cè)量速度快、測(cè)量范圍大、最高測(cè)速下分辨率高等特點(diǎn)，其光波波長(zhǎng)可直接對(duì)米進(jìn)行定義并溯源至國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。因此，激光干涉儀廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、PCB鉆孔機(jī)、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、位移傳感器等精密儀器的質(zhì)量控制與校準(zhǔn)以及科研開發(fā)、高端設(shè)備制造等領(lǐng)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(shí)，激光干涉儀會(huì)在相長(zhǎng)性和相消性干涉的兩極之間找到穩(wěn)定的信號(hào)。若光程差有變化時(shí)，這些變化會(huì)被計(jì)算并用來測(cè)量?jī)蓚€(gè)光程之間的差異變化。

當(dāng)高壓連接在陽極和陰極之間時(shí)，混合氣體被激發(fā)，形成激光光束，通過放大激光光強(qiáng)使一些光透射出來成為輸出激光光束。其中，為實(shí)現(xiàn)平衡狀態(tài)，通過加熱器控制激光管長(zhǎng)度讓激光穩(wěn)頻的精度保持在±0.05ppm以內(nèi)，此時(shí)穩(wěn)定輸出后，激光器即可進(jìn)行干涉測(cè)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(zhǎng)輸出。

激光器的頻率、功率、穩(wěn)定性、可靠性、光束質(zhì)量及壽命等指標(biāo)參數(shù)，都關(guān)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(zhǎng))的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性是激光干涉儀測(cè)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(tái)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(shí)代。從此，激光干涉測(cè)量被廣泛地用于長(zhǎng)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(jì)算機(jī)技術(shù)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(jiǎng)。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(shí)代。

由于激光具有極好的時(shí)間相干性，自問世以來，已研制出多種激光干涉儀：?jiǎn)晤l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(shí)間相干性，其相干距離可以達(dá)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(guān)注，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，激光干涉儀技術(shù)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(shí)驗(yàn)室的專用設(shè)備中，在相當(dāng)時(shí)期內(nèi)沒有推廣到現(xiàn)場(chǎng)使用。

下圖是一種帶有補(bǔ)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(gè)分量，在動(dòng)鏡M移動(dòng)時(shí)，P光產(chǎn)生多普勒頻移Δf，S光頻率不變，2束光返回后經(jīng)1/4波片Q2成為帶有干涉信息的旋轉(zhuǎn)線偏振光，為檢偏器，其光軸方向依次相差45°，干涉信號(hào)由光電接收器接受并輸入到運(yùn)算放大器。

D1、D2、D3接受的三路信號(hào)相位依次為0°、90°、180°，它們對(duì)應(yīng)的光程是完全一致的，有效地補(bǔ)償了由于測(cè)量距離過長(zhǎng)引起的信號(hào)衰減和各類干擾。

單頻激光干涉儀的測(cè)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(zhì)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(diǎn)，利用壓電陶瓷來控制腔長(zhǎng)，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(gè)縱模強(qiáng)度來控制腔長(zhǎng)，由于模式競(jìng)爭(zhēng)，二個(gè)輸出縱模取相互垂直的偏振狀態(tài)，抑制其中一個(gè)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(yīng)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(nèi)腔激光器置于磁場(chǎng)中，Ne原子的能級(jí)發(fā)生塞曼分裂，當(dāng)磁場(chǎng)軸向放置時(shí)，激光器的輸出為具有一定頻差的兩個(gè)方向相反的圓偏振光，而在磁場(chǎng)橫向放置時(shí)，激光器的輸出為具有一定頻差的兩個(gè)偏振方向相互垂直的線偏振光，以這樣的光源構(gòu)成的雙頻激光干涉儀原理如下圖，光電探測(cè)器D

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激光干涉儀具有快速、高準(zhǔn)確測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，是校準(zhǔn)數(shù)字機(jī)床、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)及其它定位裝置精度及線性指標(biāo)最常用的標(biāo)準(zhǔn)儀器，掌握一些激光干涉儀的使用技巧會(huì)使測(cè)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(zhǔn)直方法

用激光干涉儀進(jìn)行線性測(cè)量時(shí)，Z軸測(cè)量時(shí)激光光路的準(zhǔn)直相對(duì)X、Y軸準(zhǔn)直來說，要困難的多。尤其是在Z軸距離較長(zhǎng)的情況下，要保證激光光束經(jīng)反射鏡反射后回到激先探測(cè)器的強(qiáng)度滿足測(cè)量對(duì)對(duì)光強(qiáng)的要求，準(zhǔn)直激光光路往往需要很長(zhǎng)時(shí)間。

Z軸激光光路快速準(zhǔn)直方法具體調(diào)整方法如下：Z軸置于低處，利用激光器外殼中部的瞄準(zhǔn)槽，正對(duì)Z軸放置分光鏡，左右移開Z軸，觀察激光光路，保證激光轉(zhuǎn)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(zhǔn)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(diào)整后，固定分光鏡并在分光鏡上安裝光靶，通過“整體”調(diào)整精確瞄準(zhǔn)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(shí)透過“尾部”調(diào)整使激光對(duì)準(zhǔn)反光鏡光靶，若在此過程中因“尾部”的調(diào)整導(dǎo)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(diào)整“整體”，再次對(duì)準(zhǔn)反射鏡光靶。緊接著再升Z軸，繼續(xù)調(diào)整“尾部”，觀察激光在反光鏡光靶上偏離程度。重復(fù)整個(gè)過程，往往幾次即可達(dá)到準(zhǔn)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(shí)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(tái)支架

部分機(jī)床工作臺(tái)高度與地面是基本相平的，那么測(cè)量Z軸時(shí)，如果使用激光干涉儀原裝三角架及云臺(tái)安放激光器于地面，則肯定會(huì)因?yàn)槿羌鼙旧淼母叨?，損失測(cè)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(shí)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(cè)面的表座各選擇兩個(gè)(實(shí)驗(yàn)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(dāng)量為λ/2(約0.3μm)，對(duì)于精密測(cè)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(shù)，有多種激光干涉儀的細(xì)分方法，概括起來為光學(xué)細(xì)分和電子細(xì)分兩大類。

激光干涉儀的光學(xué)細(xì)分方法

所謂激光干涉儀的光學(xué)細(xì)分方法是指利用動(dòng)臂光路的多次反射而實(shí)現(xiàn)的細(xì)分方法，細(xì)分?jǐn)?shù)是光束在動(dòng)臂中往返次數(shù)的2倍。如在邁克爾遜干涉儀中，光束在動(dòng)臂中往返1次，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)2細(xì)分，分辯率為λ/2。

激光干涉儀的電子細(xì)分方法

光學(xué)細(xì)分是以犧牲激光干涉儀的測(cè)量速度為代價(jià)的，光學(xué)細(xì)分?jǐn)?shù)即激光干涉儀測(cè)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(cè)量速度由700mm/sec(HP5529A)降到175mm/sec，此外光學(xué)細(xì)分的結(jié)構(gòu)也過于復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)高倍細(xì)分，因此電子細(xì)分是激光干涉儀的主要細(xì)分方法。

單頻激光干涉儀電子細(xì)分：

在單頻激光干涉儀中，光電接收器接收的2個(gè)相位差90°是電子細(xì)分和辨向的基礎(chǔ)，將這二個(gè)信號(hào)整形、反向后，用取沿口的辦法可直接得到4細(xì)分的信號(hào)(A/8)。對(duì)于高倍細(xì)分，一般采用微機(jī)細(xì)分的方法，將正弦和余弦信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，利用正弦信號(hào)的符號(hào)、余弦信號(hào)的符號(hào)和正弦信號(hào)與余弦信號(hào)的相對(duì)大小這樣三個(gè)判斷條件，將一個(gè)干涉信號(hào)的周期分為8個(gè)45°的區(qū)間，軟件首先判斷即時(shí)干涉信號(hào)所屬的區(qū)間，然后將正弦和余弦信號(hào)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(shí)的干涉信號(hào)相位值，達(dá)到細(xì)分目的。若按11.25°間隔制表，可達(dá)到32細(xì)分，在標(biāo)準(zhǔn)的邁克爾遜干涉儀中，分辯率達(dá)到10nm。

聲光頻移的雙頻激光干涉儀電子細(xì)分：

基于聲光頻移的雙頻激光干涉儀在測(cè)量過程中，測(cè)量方波的上升沿連續(xù)采樣三角波，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)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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