激光干涉仪（测量位移的仪器）

激光干涉仪（测量位移的仪器）

激光干涉仪 （测量位移的仪器） 次浏览 | 2022.10.13 19:34:22 更新 来源 ：互联网 精选百科 本文由作者推荐 激光干涉仪测量位移的仪器

激光干涉仪，以激光波长为已知长度，利用迈克耳逊干涉系统测量位移的通用长度测量。广泛应用于精密长度、角度的测量如线纹尺、光栅、量块、精密丝杠的检测。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。

中文名

激光干涉仪

英文名

lar interferometer

分类

单频激光干涉仪、双频激光干涉仪

优点

高强度、高度方向性、空间同调性

简介

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。常用来测量长度的干涉仪。以激光波长为已知长度、利用迈克耳逊干涉系统(见激光测长技术)测量位移的通用长度测量工具。[1]激光干涉仪有单频的和双频的两种。单频的是在20世纪60年代中期出现的,最初用于检定基准线纹尺,后又用于在计量室中精密测长。

双频激光干涉仪是1970年出现的，它适宜在车间中使用。激光干涉仪在极接近标准状态（温度为20℃、大气压力为101325帕、相对湿度59％、CO2含量0、03％）下的测量精确度很高，可达1×10-7。

基本原理

激光器的出现，使古老的干涉技术得到迅速发展，激光具有亮度高、方向性好、单色性及相干性好等特点，激光干涉测量技术已经比较成熟。激光干涉测量系统应用非常广泛：精密长度、角度的测量如线纹尺、光栅、量块、精密丝杠的检测；精密仪器中的定位检测系统如精密机械的控制、校正；大规模集成电路专用设备和检测仪器中的定位检测系统；微小尺寸的测量等。

在大多数激光干涉测长系统中，都采用了迈克尔逊干涉仪或类似的光路结构。

类型

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

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。

全球的竞争和质量标准的要求，对机床提出了更高的定位精度、更小的公差及更高的进给率。为了达到这些要求并生产出高品质高精度的零件，必须要测量机床的三维体积定位精度。

产生

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。

应用

（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。

双频激光

1、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。

2、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。

3、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)。

技术参数

5D/6D标准型：

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、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

主要特点

1、同时测量线性定位误差、直线度误差（双轴）、偏摆角、俯仰角和滚动角

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

7、激光干涉仪可以同时测量线性定位误差、直线度误差(双轴)、偏摆角、俯仰角和滚动角等，以及测量速度、加速度、振动等参数，并评估机床动态特性等。

8、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。

9、激光干涉仪可配合各种折射镜、反射镜等来使用。

注意事项

1、仪器应放置在干燥、清洁以及无振动的环境中应用。

2、在移动仪器时，为防止导轨变形，应托住底座再进行移动。

3、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。

4、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。

5、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。

6、在使用时应避免强旋、硬扳等情况，合理恰当的调整部件。

7、避免划伤或腐蚀导轨面丝杆，保持其不失油。

维护

1、仪器应妥善地放在干燥、清洁的房间内，防止振动，仪器搬动 时，应托住底座，以防导轨变形。 　 

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。

参考资料