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激光干涉位移测量技术015110034） 摘 要：为了实现，达到纳米级分辨力，其测量领域和趋势。级 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 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 光的相长干涉 图 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 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 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 1.1.2 双频激光干涉仪 为了减小单频激光干涉仪的缺点3是典型双频激光干涉测量系统的原理图。 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（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 单频的激光装置简单、，精度度的特点。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直流信号处理的干涉仪受环境影响严重，从而产生误差。产生的光信号要经过光电转换和电压放大，因此会漂移误差同时也影响着测量精度。由于激光和输出光束光强难以控制会引起电流变化从而引起漂移。以上几个因素使得单品激光干涉仪的应用场合极大的限制，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，它是外差干涉原理。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，其具有抗干扰能力强、信号噪声小等优点，广泛在恒温，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。的双频激光干涉仪的价格昂贵，国内一些产品，但是其稳定性差，寿命短。应用 3.1 国内外发展现状以英国雷尼绍（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。。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。 公司 参数 Agilent Renishaw ZYGO 成都工具所 单/双频 双频 单频 双频 双频 最大频差（MHz） 4 / 20 1.2 最高测速 1000 1000 5100 300 分辨率（nm） 1.2 1 0.31 20 测量范围（m） ±21 80 ±21.2 20 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