激光干涉位移测量技术

激光干涉位移测量技术

张欣（2015110034）

摘要：为了实现纳米级以上分辨力位移的测量研究，利用激光干涉位移测量技术可以达到纳米级分辨力，其具有可溯源、分辨力高、测量速度快等特点，是目前位移测量领域的主流技术。本文对目前主要的激光干涉位移测量技术进行了分类介绍，并对各种干涉仪的特点进行了分析，最后介绍了激光干涉位移测量技术的国内外发展现状和趋势。

关键词：纳米级；激光干涉；位移测量；

1 引言

干涉测量技术( interferometry ) 是基于电磁波干涉理论，通过检测相干电磁波的图样，频率、振幅、相位等属性，将其应用于各种相关的测量技术的统称。用于实现干涉测量技术的仪器被称为干涉仪。在当今多个科研领域，干涉测量技术都发挥着重要的作用，包括天文学，光纤光学，以及各种工程测量学。其中由于上个世纪60年代激光的研制成功，使得激光干涉测量技术在各种精密工程领域得到了广泛的应用。它的基本功能是将机械位移信息变成干涉条纹的电信号，再对干涉条纹进行调理和细分，进而获得所需要的测量信息。整个激光干涉测量系统中主要的组成部分有光电转换、信号调理、信号细分处理。

1.1激光干涉仪分类

激光干涉仪是以干涉测量为原理，利用激光作为长度基准，对数控设备(加工中心、三坐标测量机等)的位置精度（定位精度、重复定位精度等）、几何精度（抚养扭摆角度、直线度、垂直度）进行精密测量的精密测量技术。由于激光具有波长稳定、波长短、具有干涉性，使得激光在现代光电测量系统中占据了重要的地位，尤其是在激光干涉测量系统中。下面介绍激光干涉仪测量原理以及激光干涉仪。

光的相长干涉和相消干涉：

图1.光的相长以及相消干涉

如果两束光相位相同，光波会叠加增强，表现为亮条纹，如果两束光相位相反，光波会相互抵消，表现为暗条纹。图1.1就是光的相长以及相消干涉，而激光干涉仪主要依据的原理就是激光的干涉产生明亮

条纹并将其转换成相关的电信号，从而获取所需要的位移信息。

整个光电系统中激光干涉仪是最重要的组成部分，虽然目前市场存在各式的激光干涉仪，但从其工作的基本原理上来说，主要可以分为单频激光干涉仪以及外差激光干涉仪两种基本类型。

1.1.1单频激光干涉仪

图1.2是最基本的单频激光干涉仪和信号处理示意图。首先激光器发出激光，光束经过准直镜，通过分光镜然后分为两路，一束在参考镜和分光镜之间反射，另一束在测量镜和分光镜之间反射，最后两束激光在分光镜上汇合进而产生干涉。两束激光的干涉光强就会随着测量镜的移动而产生干涉明暗条纹变化，通过光电探测器以及相应的光电转换电路将光强信息变成电信号，经过一系列的调理电路之后输入到数字处理器或者计算机上，计算出干涉条纹数量，之后根据公式计算出位移。

图2单频激光干涉仪原理

单频激光干涉仪测量技术虽然可以达到很高的精度，但是单频激光测量的光强信号和经过光电转换后获得的电信号都是直流信号，存在直流漂移，同时单频激光干涉仪测量技术对外界环境要求特别高，干涉仪的两臂的光强不允许有较大的变化，一旦外界环境扰动造成光强的变化，仪器可能就会停止工作。因此整个单频激光干涉仪测量系统中对于信号的调理就显得尤为重要，这对整个光电测量系统的测量准确度有着重要的影响。

1.1.2 双频激光干涉仪

为了减小单频激光干涉仪的缺点，双频激光干涉仪通过高频调制测量信号的相位，把信号频带带出低频区，滤除环境噪声以及相应的电噪声。图1.3是典型双频激光干涉测量系统的原理图。

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f f BS

固定角隅棱镜测量角隅棱镜11f f ±∆光探测器检偏器[]

21f f -[]211()f f f -±∆2f 双频

激光器ν光探

测器检偏器细分计数PBS

图3双频激光干涉仪

从激光器中发出两束同轴的并且在偏振方向上相互垂直的线偏振光，其频率为，经过BS 分光镜分成两束光，其中一束经过BS 反射后直接被光电探测器所接收，作为参考光束。此时，由马吕斯定律可知，在检测器的主截面上，这两束相互垂直的线偏振光会发生拍频现象，拍频信号被作为参考信号；另一束光经BS 投射进入PBS 偏振分光器，PBS 会把这两束偏振方向相互垂直的线偏振光分开，经反射射向固定角隅棱镜，经投射射向测量角隅棱镜。如果测量角隅棱镜以速度V 进行移动，此时会造成多普勒效应，这时，反射回来的光束的频率变为（测量角隅棱镜的移动的方向决定了正负号的选取）。这束光在此进入PBS ，与 重新会合后被光电探测器接收，作为测量光束，同样的，在检测器的主截面上，两束光同样会发生拍频现象，此时拍频信号作为测量信号。由此我们可以得到解调的测量信号。

双频激光干涉仪是利用多普勒效应产生频差来测量位移信息，这种位移信息加载在和的频差上，因此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。

2 两种激光干涉仪特点分析

单频的激光干涉仪具有装置结构简单、成本低，精度高、灵敏度好的特点。但是它的一个根本弱点就是受环境影响严重，在测试环境恶劣，测量距离较长时，这一缺点十分突出，其原因在于它是一种基于直流调幅信号处理的干涉仪，受环境影响严重，从而产生计数误差。激光干涉仪产生的光信号要经过光电转换和电压放大，因此会产生直流漂移误差同时也影响着测量精度。另一方面，由于激光功率和输出光束光强难以控制会引起输出电流变化从而引起漂移。由于以上几个因素使得单品激光干涉仪的应用场合受到极大的限制，只能在环境条件良好的情况下使用。

而双频激光干涉仪正好克服了这一弱点，它是基于外差干涉测测量原理。和单频激光干涉仪一样，双频激光干涉仪也是一种以波长作为标准对被测长度进行度量的仪器，因此其具有抗干扰能力强、信号噪声

小等优点，被广泛应用于在恒温，恒湿，防震的计量室内检定量块，量杆，刻尺和坐标测量机等，也可以在普通车间内为大型机床的刻度进行标定，既可以对几十米的大量程进行精密测量，也可以对手表零件等微小运动进行精密测量，既可以对几何量如长度、角度．直线度、平行度、平面度、垂直度等进行测量，也可以用于特殊场合，诸如半导体光刻技术的微定位和计算机存储器上记录槽间距的测量等等。但是国外的双频激光干涉仪的价格昂贵，国内一些产品成本低，但是其稳定性差，寿命短。

3 国内外发展和应用现状

3.1 国内外发展现状

目前先进的激光干涉仪多来自工业发达国家，以英国雷尼绍（Renishaw）、美国安捷伦（Agilent原属 HP 公司)、美国 ZYGO三家公司的激光干涉仪比较典型也比较成熟。我国因起步发展较晚，与发达国家尚有差距。成都工具研究所是国内生产和供应激光干涉仪的最重要的厂家之一。其分辨率可达20nm，最高测量速度可达300mm/s。成都工具研究所开发的产品应用的范围很广，可以完成直线度测量、垂直度测量、平面度测量、机床位置精度检定等等。国内清华大学、中国计量科学研究院、北京电子显微镜实验室等等都获得了纳米或者亚纳米的测量精度。

表1 国内外代表性干涉仪技术指标比对

由表1.1可以看出目前我国在大量程、纳米级精度的位移传感研究方面与国外差距巨大，各种高精度激光干涉仪均为国外品牌，分辨率优于0.5nm的纳米激光干涉仪为集成电路生产设备的核心检测仪器，对我国禁售，严重制约着我国高档数控机床与基础制造装备、精密超精密机械和光学制造装备、半导体集成电路、光学技术、航空航天、国防工业等技术领域的发展[14]，此种局面不仅涉及到我国的国防、经济安全，更关系到国家由制造大国向制造强国的战略转型。并且由于单频激光仪的直流漂移比较严重，目前产品较少，国内外大部分还是以双频激光干涉仪为主。产生双频激光干涉仪主要有塞曼效应和声光调制两种。

3.2国内外激光干涉仪应用现状

NIST在二十世纪90年代初研制了一台超高精度的分子测量机，主要采用了双频激光干涉仪作为检测手段，主要通过控制温度低于1m℃的浮动范围以及高度的真空环境，测量精度能达到原子尺度。

PTB在2003年成功研制除了计量型大范围扫描探针显微镜，主要采用单频激光干涉仪作为检测手段，