激光干涉儀（測量位移的儀器）

激光干涉儀（測量位移的儀器）

激光干涉儀 （測量位移的儀器） 次瀏覽 | 2022.10.13 19:34:22 更新 來源 ：互聯(lián)網(wǎng) 精選百科 本文由作者推薦 激光干涉儀測量位移的儀器

激光干涉儀，以激光波長為已知長度，利用邁克耳遜干涉系統(tǒng)測量位移的通用長度測量。廣泛應(yīng)用于精密長度、角度的測量如線紋尺、光柵、量塊、精密絲杠的檢測。激光干涉儀可配合各種折射鏡、反射鏡等來作線性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等測量工作，并可作為精密工具機或測量儀器的校正工作。

中文名

激光干涉儀

英文名

lar interferometer

分類

單頻激光干涉儀、雙頻激光干涉儀

優(yōu)點

高強度、高度方向性、空間同調(diào)性

簡介

激光具有高強度、高度方向性、空間同調(diào)性、窄帶寬和高度單色性等優(yōu)點。常用來測量長度的干涉儀。以激光波長為已知長度、利用邁克耳遜干涉系統(tǒng)(見激光測長技術(shù))測量位移的通用長度測量工具。[1]激光干涉儀有單頻的和雙頻的兩種。單頻的是在20世紀(jì)60年代中期出現(xiàn)的,最初用于檢定基準(zhǔn)線紋尺,后又用于在計量室中精密測長。

雙頻激光干涉儀是1970年出現(xiàn)的，它適宜在車間中使用。激光干涉儀在極接近標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（溫度為20℃、大氣壓力為101325帕、相對濕度59％、CO2含量0、03％）下的測量精確度很高，可達1×10-7。

基本原理

激光器的出現(xiàn)，使古老的干涉技術(shù)得到迅速發(fā)展，激光具有亮度高、方向性好、單色性及相干性好等特點，激光干涉測量技術(shù)已經(jīng)比較成熟。激光干涉測量系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛：精密長度、角度的測量如線紋尺、光柵、量塊、精密絲杠的檢測；精密儀器中的定位檢測系統(tǒng)如精密機械的控制、校正；大規(guī)模集成電路專用設(shè)備和檢測儀器中的定位檢測系統(tǒng)；微小尺寸的測量等。

在大多數(shù)激光干涉測長系統(tǒng)中，都采用了邁克爾遜干涉儀或類似的光路結(jié)構(gòu)。

類型

1、單頻激光干涉儀

從激光器發(fā)出的光束，經(jīng)擴束準(zhǔn)直后由分光鏡分為兩路，并分別從固定反射鏡和可動反射鏡反射回來會合在分光鏡上而產(chǎn)生干涉條紋。當(dāng)可動反射鏡移動時，干涉條紋的光強變化由接受器中的光電轉(zhuǎn)換元件和電子線路等轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，經(jīng)整形、放大后輸入可逆計數(shù)器計算出總脈沖數(shù)，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(shù))，算出可動反射鏡的位移量L。使用單頻激光干涉儀時，要求周圍大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，各種空氣湍流都會引起直流電平變化而影響測量結(jié)果。

2、雙頻激光干涉儀

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(yīng)和頻率牽引效應(yīng),激光器產(chǎn)生f1和f2兩個不同頻率的左旋和右旋圓偏振光。經(jīng)1/4波片后成為兩個互相垂直的線偏振光,再經(jīng)分光鏡分為兩路。一路經(jīng)偏振片1后成為含有頻率為f1-f2的參考光束。另一路經(jīng)偏振分光鏡后又分為兩路：一路成為僅含有f1的光束,另一路成為僅含有f2的光束。當(dāng)可動反射鏡移動時,含有f2的光束經(jīng)可動反射鏡反射后成為含有f2±Δf的光束，Δf是可動反射鏡移動時因多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的附加頻率,正負(fù)號表示移動方向(多普勒效應(yīng)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產(chǎn)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(jīng)偏振片2后會合成為f1-(f2±Δf）的測量光束。測量光束和上述參考光束經(jīng)各自的光電轉(zhuǎn)換元件、放大器、整形器后進入減法器相減,輸出成為僅含有±Δf的電脈沖信號。經(jīng)可逆計數(shù)器計數(shù)后，由電子計算機進行當(dāng)量換算（乘 1/2激光波長）后即可得出可動反射鏡的位移量。雙頻激光干涉儀是應(yīng)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，所以抗干擾能力強。它常用于檢定測長機、三坐標(biāo)測量機、光刻機和加工中心等的坐標(biāo)精度，也可用作測長機、高精度三坐標(biāo)測量機等的測量系統(tǒng)。利用相應(yīng)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。

全球的競爭和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)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產(chǎn)出高品質(zhì)高精度的零件，必須要測量機床的三維體積定位精度。

產(chǎn)生

1604年開普勒（J．Kepler）寫出光學(xué)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(xué)》。

1801年托馬斯?楊（Thomas?Young）用雙狹縫實驗演示了光的干涉現(xiàn)象，即著名的楊氏雙縫實驗。

1881年邁克爾遜（Albert．A．Michelson）設(shè)計了著名的實驗來測量“以太”漂移。當(dāng)然沒測到漂移，由此導(dǎo)致“以太”說的破滅和相對論的誕生。它首次用于干涉儀，以鎘紅譜線與國際米原器作對比。正是由于他的工作導(dǎo)致后來用光的波長定義“米”。由于他在精密光學(xué)儀器、光譜和計量領(lǐng)域的研究工作于1907年獲得諾貝爾獎。

1960年Maiman研制成功第一臺紅寶石激光器，從此開始了光學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的新時代。從此，激光干涉測量被廣泛地用于長度、角度、微觀形貌、轉(zhuǎn)速、光譜等領(lǐng)域，并和微電子技術(shù)、計算機技術(shù)集成，成為現(xiàn)代干涉儀。

1982年G．Binning和H．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、半導(dǎo)體激光干涉儀、法布里-珀羅（F-P）干涉儀、X射線干涉儀等。

激光干涉儀是激光在計量領(lǐng)域中最成功的應(yīng)用之一。利用光的干涉實現(xiàn)測量，具有非接觸、無損檢測的特點，已經(jīng)在各個不同領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

應(yīng)用

（1）CO2激光干涉儀

CO2激光器是一種非常適合無導(dǎo)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(gòu)成的“合成波長鏈”的波長可從10、6μm到25m，因此，CO2激光干涉儀一直是無導(dǎo)軌激光干涉儀的研究重點。從1979年開始，由直流干涉系統(tǒng)到各種形式的光外差系統(tǒng)，CO2激光干涉儀歷經(jīng)多次改進，其中一種典型方案是上世紀(jì)九十年代澳大利亞研制的外差干涉儀，它通過激光器的腔長控制，順序輸出6種波長，用聲光調(diào)制器的零級衍射作為本振光，構(gòu)成外差系統(tǒng)，測量精度可達4×10-8。

（2）Ne-Xe激光干涉儀

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“合成波長鏈”的角度考慮，波長過短難以保證測量結(jié)果的唯一性，為此，系統(tǒng)加入了He-Ne激光器的3、39μm譜線，將“合成波長鏈”延伸到464μm。Ne-Xe激光干涉儀的最大優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，測量精度可達1、8×10-7。

（3）He-Ne激光干涉儀

中國計量科學(xué)研究院研制的縱向塞曼He-Ne激光干涉儀，與成都工具研究所開發(fā)的雙頻激光干涉儀不同，其穩(wěn)頻點選在兩條激光增益曲線之間，產(chǎn)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。利用光柵測量干涉的剩余相位。系統(tǒng)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(fā)輻射系數(shù)比其它譜線大很多，抑制了其它譜線的發(fā)射。清華大學(xué)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波段雙波長激光干涉儀，其“合成波長鏈”從3、39μm到1m，單波穩(wěn)定性為1×10-8。

（4）變波長激光干涉儀

變波長激光干涉儀采用兩個激光器，利用諧振腔長與輸出頻率的關(guān)系，構(gòu)成“無級”的波長系列，在理想的環(huán)境下，13m長度范圍的測量精度為70μm。

（5）線性調(diào)頻半導(dǎo)體激光干涉儀

近年來，半導(dǎo)體激光器線性調(diào)頻技術(shù)的發(fā)展，為無導(dǎo)軌激光干涉儀提供了一個理想的光源，成為無導(dǎo)軌激光干涉技術(shù)研究的熱點。1995年，德國采用了外腔可調(diào)諧式半導(dǎo)體激光器，其外腔由全息光柵組成，通過改變光柵的角度進行頻率選擇，相干長度可達100m，40m長度范圍的分辨率可達40μm。

無導(dǎo)軌激光干涉儀技術(shù)的發(fā)展僅有二十多年的歷史，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(xué)者傾注了大量精力進行研究開發(fā)，目前這項技術(shù)逐步走向?qū)嵱没A段。隨著科技的發(fā)展，相信在不久的將來，無導(dǎo)軌激光干涉儀技術(shù)必將成為大尺寸測量領(lǐng)域中的一朵艷麗的奇葩。

雙頻激光

1、雙頻激光干涉儀原理

雙頻激光干涉儀的原理是建立在塞曼效應(yīng)、牽引效應(yīng)和多普勒效應(yīng)的基礎(chǔ)之上的。其原理如圖2所示，在全內(nèi)腔He-Ne激光器上加約0、03T的軸向磁場，由于塞曼效應(yīng)和牽引效應(yīng)，發(fā)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(jīng)1/4波片之后成為兩個互相垂直的線偏振光，再經(jīng)平行光管準(zhǔn)直和擴束。從平行光管出來的這束光經(jīng)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產(chǎn)生拍頻。這個拍頻頻率恰好等于激光器所發(fā)出的兩個光頻的差值即（f1-f2），約為1、5MHz。經(jīng)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后返回，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，那么f1的返回光便有了變化成為（f1±Δf）。這束光返回后重新通過偏振分光棱鏡并與f2的返回光會合，然后到45°放置的檢偏器上產(chǎn)生拍頻被光電元件接收，進入前置放大器和計算機。計算機對兩路信號進行比較，計算它們之間的差值±Δf（即多普勒頻差）。進而可以根據(jù)立體直角棱鏡移動度數(shù)和時間求得被測長度。

雙頻激光干涉儀中，雙頻起到了調(diào)頻的作用，被測信號只是疊加在這一調(diào)頻副載波上，這副載波與被測信號一起均被接收并轉(zhuǎn)換成電信號。

2、雙頻激光干涉儀在大尺寸測量中的應(yīng)用

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

（1）雙頻激光干涉儀測量大尺寸軸徑

雙頻激光干涉儀是一種增量式測長儀。在時間t內(nèi)，被測長度對應(yīng)的多普勒頻差為計數(shù)器記得的脈沖數(shù)K。計數(shù)器計脈沖數(shù)時，需要有信號控制計數(shù)器開始計數(shù)和停止計數(shù)，此信號由準(zhǔn)直系統(tǒng)提供。當(dāng)準(zhǔn)直系統(tǒng)對準(zhǔn)被測軸徑的測量起點時，發(fā)出一個開始計數(shù)信號；當(dāng)準(zhǔn)直系統(tǒng)對準(zhǔn)被測的測量終點時，發(fā)出一個停止計數(shù)信號，計數(shù)器停止計數(shù)。所以準(zhǔn)直系統(tǒng)對準(zhǔn)的精度直接影響測量系統(tǒng)準(zhǔn)確度。激光準(zhǔn)直的工作原理為，由氦氖激光器發(fā)射出激光，經(jīng)過前端望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)后，發(fā)射是出一束激光束作為系統(tǒng)準(zhǔn)直的基準(zhǔn)，光電目標(biāo)靶為準(zhǔn)直系統(tǒng)的接收裝置，常用的是硅光電探測器。

3、雙頻激光干涉儀在數(shù)控車床檢定中的應(yīng)用

雙頻激光干涉儀與不同光學(xué)附件結(jié)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(jié)構(gòu),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(shù)據(jù),更接近機床的實際使用狀態(tài)。與傳統(tǒng)的檢定方法相比,激光干涉儀具有較高的精度和效率,并能及時處理數(shù)據(jù),為機床誤差修正提供依據(jù)。因此,用雙頻激光干涉儀檢測機床各項誤差是一種用傳統(tǒng)測量手段難以實現(xiàn)的的技術(shù)。位置精度是機床的重要指標(biāo),目前世界各國機床檢定標(biāo)準(zhǔn)中都推薦使用激光干涉儀進行該項精度的檢定。用雙頻激光干涉儀檢定位置精度使用長度干涉儀和測量反射鏡,測量時將長度干涉儀置于不動位置,反射器安裝在運動部件上(也可相反)。

技術(shù)參數(shù)

5D/6D標(biāo)準(zhǔn)型：

1、線性：0、5ppm、

2、測量范圍：40米（1D可選80米）

3、線性分辨力：0、001um、

4、擺角和俯仰角的精度：（1、0+0、1/m）角秒或1%顯示較大值

5、最大范圍：800角秒

6、滾動角精度：1、0角秒

7、直線度精度：（1、0+0、2/m）um或1%顯示較大值

8、直線度最大范圍：500um

9、垂直度精度：1角秒

10、溫度精度：0、2攝氏度

11、濕度精度：5%

12、壓力精度：1mmHg

主要特點

1、同時測量線性定位誤差、直線度誤差（雙軸）、偏擺角、俯仰角和滾動角

2、設(shè)計用于安裝在機床主軸上的5D/6D傳感器

3、可選的無線遙控傳感器最長的控制距離可到25米

4、可測量速度、加速度、振動等參數(shù)，并評估機床動態(tài)特性

5、全套系統(tǒng)重量僅15公斤，設(shè)計緊湊、體積小，測量機床時不需三角架

6、集成干涉鏡與激光器于一體，簡化了調(diào)整步驟，減少了調(diào)整時間

7、激光干涉儀可以同時測量線性定位誤差、直線度誤差(雙軸)、偏擺角、俯仰角和滾動角等，以及測量速度、加速度、振動等參數(shù)，并評估機床動態(tài)特性等。

8、激光干涉儀的光源——激光，具有高強度、高度方向性、空間同調(diào)性、窄帶寬和高度單色性等優(yōu)點。

9、激光干涉儀可配合各種折射鏡、反射鏡等來使用。

注意事項

1、儀器應(yīng)放置在干燥、清潔以及無振動的環(huán)境中應(yīng)用。

2、在移動儀器時，為防止導(dǎo)軌變形，應(yīng)托住底座再進行移動。

3、儀器的光學(xué)零件在不用時，應(yīng)在清潔干燥的器皿中進行存放，以防止發(fā)霉。

4、盡量不要去擦拭儀器的反光鏡、分光鏡等，如必須擦拭則應(yīng)當(dāng)小心擦拭，利用科學(xué)的方法進行清潔。

5、導(dǎo)軌、絲桿、螺母與軸孔部分等傳動部件，應(yīng)當(dāng)保持良好的潤滑。因此必要時要使用精密儀表油潤滑。

6、在使用時應(yīng)避免強旋、硬扳等情況，合理恰當(dāng)?shù)恼{(diào)整部件。

7、避免劃傷或腐蝕導(dǎo)軌面絲桿，保持其不失油。

維護

1、儀器應(yīng)妥善地放在干燥、清潔的房間內(nèi)，防止振動，儀器搬動?時，應(yīng)托住底座，以防導(dǎo)軌變形。?　?

2、光學(xué)零件不用時，應(yīng)存放在清潔的干燥盆內(nèi)，以防止發(fā)霉。反光鏡、分光鏡一般不允許擦拭，必要擦拭時，須先用備件毛刷小心撣去灰塵，再用脫脂清潔棉花球滴上酒精和乙醚混合液輕拭。

3、傳動部件應(yīng)有良好的潤滑。特別是導(dǎo)軌、絲桿、螺母與軸孔部分，應(yīng)用T5精密儀表油潤滑。

4、使用時，各調(diào)整部位用力要適當(dāng)，不要強旋、硬扳。

5、導(dǎo)軌面絲桿應(yīng)防止劃傷、銹蝕，用畢后，仍保持不失油狀態(tài)。

6、?經(jīng)過精密調(diào)整的儀器部件上的螺絲，都涂有紅漆，不要擅自轉(zhuǎn)動。

參考資料