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激光干涉位移测量技术
张欣（110034）
摘 要: 为了实现纳米级以上分辨力位移测量研究, 利用激光干涉位移测量技术能够达成纳米级分辨力, 其含有可溯源、 分辨力高、 测量速度快等特点, 是现在位移测量领域主流技术。本文对现在关键激光干涉位移测量技术进行了分类介绍, 并对多种干涉仪特点进行了分析, 最终介绍了激光干涉位移测量技术中国外发展现实状况和趋势。
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, 经过检测相干电磁波图样, 频率、 振幅、 相位等属性, 将其应用于多种相关测量技术统称。用于实现干涉测量技术仪器被称为干涉仪。在当今多个科研领域, 干涉测量技术都发挥着关键作用, 包含天文学, 光纤光学, 以及多种工程测量学。其中因为上个世纪60年代激光研制成功, 使得激光干涉测量技术在多种精密工程领域得到了广泛应用。它基础功效是将机械位移信息变成干涉条纹电信号, 再对干涉条纹进行调理和细分, 进而取得所需要测量信息。整个激光干涉测量系统中关键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)位置精度（定位精度、 反复定位精度等）、 几何精度（抚养扭摆角度、 直线度、 垂直度）进行精密测量精密测量技术。因为激光含有波长稳定、 波长短、 含有干涉性, 使得激光在现代光电测量系统中占据了关键地位, 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。
光相长干涉和相消干涉:

图1.光相长以及相消干涉
假如两束光相位相同, 光波会叠加增强, 表现为亮条纹, 假如两束光相位相反, 光波会相互抵消, 表现为暗条纹。图1.1就是光相长以及相消干涉, 而激光干涉仪关键依据原理就是激光干涉产生明亮条纹并将其转换成相关电信号, 从而获取所需要位移信息。
整个光电系统中激光干涉仪是最关键组成部分, 即使现在市场存在各式激光干涉仪, 但从其工作基础原理上来说, 关键能够分为单频激光干涉仪以及外差激光干涉仪两种基础类型。
1.1.1单频激光干涉仪
图1.2是最基础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, 经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, 最终两束激光在分光镜上汇合进而产生干涉。两束激光干涉光强就会伴随测量镜移动而产生干涉明暗条纹改变, 经过光电探测器以及对应光电转换电路将光强信息变成电信号, 经过一系列调理电路以后输入到数字处理器或者计算机上, 计算出干涉条纹数量, 以后依据公式计算出位移。

图2单频激光干涉仪原理
单频激光干涉仪测量技术即使能够达成很高精度, 不过单频激光测量光强信号和经过光电转换后取得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尤其高, 干涉仪两臂光强不许可有较大改变, 一旦外界环境扰动造成光强改变, 仪器可能就会停止工作。所以整个单频激光干涉仪测量系统中对于信号调理就显得尤为关键, 这对整个光电测量系统测量正确度有着关键影响。
1.1.2 双频激光干涉仪
为了减小单频激光干涉仪缺点, 双频激光干涉仪经过高频调制测量信号相位, 把信号频带带出低频区, 滤除环境噪声以及对应电噪声。图1.3是经典双频激光干涉测量系统原理图。

图3双频激光干涉仪
从激光器中发出两束同轴而且在偏振方向上相互垂直线偏振光, 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, 在检测器主截面上, 这两束相互垂直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。假如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, 反射回来光束频率变为（测量角隅棱镜移动方向决定了正负号选择）。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, 一样, 在检测器主截面上, 两束光一样会发生拍频现象, 此时拍频信号作为测量信号。由此我们能够得到解调测量信号。
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频差上, 所以对由光强改变引发直流电平改变不敏感, 所以抗干扰能力强。
2 两种激光干涉仪特点分析
单频激光干涉仪含有装置结构简单、 成本低, 精度高、 灵敏度好特点。不过它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, 其原因在于它是一个基于直流调幅信号处理干涉仪, 受环境影响严重, 从而产生计数误差。激光干涉仪产生光信号要经过光电转换和电压放大, 所以会产生直流漂移误差同时也影响着测量精度。其次, 因为激光功率和输出光束光强难以控制会引发输出电流改变从而引发漂移。因为以上多个原因使得单品激光干涉仪应用场所受到极大限制, 只能在环境条件良好情况下使用。
而双频激光干涉仪恰好克服了这一弱点, 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个以波长作为标准对被测长度进行度量仪器, 所以其含有抗干扰能力强、 信号噪声小等优点, 被广泛应用于在恒温, 恒湿, 防震计量室内检定量块, 量杆, 刻尺和坐标测量机等, 也能够在一般车间内为大型机床刻度进行标定, 既能够对几十米大量程进行精密测量, 也能够对手表零件等微小运动进行精密测量, 既能够对几何量如长度、 角度．直线度、 平行度、 平面度、 垂直度等进行测量, 也能够用于特殊场所, 诸如半导体光刻技术微定位和计算机存放器上统计槽间距测量等等。不过国外双频激光干涉仪价格昂贵, 中国部分产品成本低, 不过其稳定性差, 寿命短。
3 中国外发展和应用现实状况
3.1 中国外发展现实状况
现在优异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 企业)、 美国 ZYGO三家企业激光干涉仪比较经典也比较成熟。中国因起步发展较晚, 与发达国家还有差距。成都工具研究所是中国生产和供给激光干涉仪最关键厂家之一。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产品应用范围很广, 能够完成直线度测量、 垂直度测量、 平面度测量、 机床位置精度检定等等。中国清华大学、 中国计量科学研究院、 北京电子显微镜试验室等等都取得了纳米或者亚纳米测量精度。
企业
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 中国外代表性干涉仪技术指标比对
由表1.1能够看出现在中国在大量程、 纳米级精度位移传感研究方面与国外差距巨大, 多种高精度激光干涉仪均为国外品牌, 分辨率优于0.5nm纳米激光干涉仪为集成电路生产设备关键检测仪器, 对中国禁售, 严重制约着中国高级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发展[14], 此种局面不仅包含到中国国防、 经济安全, 更关系到国家由制造大国向制造强国战略转型。而且因为单频激光仪直流漂移比较严重, 现在产品较少, 中国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关键有塞曼效应和声光调制两种。
3.2中国外激光干涉仪应用现实状况
NIST在二十世纪90年代初研制了一台超高精度分子测量机, 关键采取了双频激光干涉仪作为检测手段, 关键经过控制温度低于1m℃浮动范围以及高度真空环境, 测量精度能达成原子尺度。
PTB在成功研制除了计量型大范围扫描探针显微镜, 关键采取单频激光干涉仪作为检测手段, 测量能力达成25nm×25nm×5nm测量范围, 5~10nm不确定度, 1.25nm分辨率。
NRLM研制了四光束偏振迈克尔逊干涉仪, 采取稳频塞曼激光作为光源、 能实现硅晶格间距等基础常量测量。
清华大学成功在线测量超光滑表面粗糙度激光外差干涉仪, 光源是稳频半导体激光器, 此干涉仪能达成0.39nm和0.73μm横向和纵向分辨率。
NIM等研制差拍法-珀干涉仪用于纳米测量, 其测量能力能达0.3nm分辨力, ±1.1μm范围, 低于3.5nm不确定度。
参考文件:
[1] 所睿,范志军,李岩.双频激光干涉仪技术现实状况和发展[J].激光与红外,, 34(4): 337-340.
[2] 段小艳,任冬梅.激光干涉法微位移测量综述[J].计测技术,, 06(1): 5.
[3] 羡一民,王科峰.激光干涉仪技术和发展[J].工具技术,, 37(11): 68-73.
[4] 谭翔飞. 用于精密位移测量单频激光干涉系统研究[D]. 浙江大学, .