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從激光器發出的光束,經擴束準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生干涉條紋。當可動反射鏡移動時,干涉條紋的光強變化由接受器中的光電轉換元件和電子線路等轉換為電脈沖信號,經整形、放大后輸入可逆計數器計算出總脈沖數,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),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定狀態,各種空氣湍流都會引起直流電平變化而影響測量結果。

2、雙頻激光干涉儀

雙頻激光干涉儀是在單頻激光干涉儀的基礎上發展而來的一種外差式干涉儀。

在氦氖激光器上,加上一個約0.03特斯拉的軸向磁場。由于塞曼分裂效應和頻率牽引效應,激光器產生f1和f2兩個不同頻率的左旋和右旋圓偏振光。經1/4波片后成為兩個互相垂直的線偏振光,再經分光鏡分為兩路。一路經偏振片1后成為含有頻率為f1-f2的參考光束。另一路經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。當可動反射鏡移動時,含有f2的光束經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產生的附加頻率,正負號表示移動方向(多普勒效應是奧地利人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各自的光電轉換元件、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。經可逆計數器計數后,由電子計算機進行當量換算（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、三坐標測量機、光刻機和加工中心等的坐標精度,也可用作測長機、高精度三坐標測量機等的測量系統。利用相應附件,還可進行高精度直線度測量、平面度測量和小角度測量。

國內雙頻激光干涉儀生產企業主要有北京鐳測科技有限公司,該公司的產品技術和工作人員主要來自于清華大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室,擁有自主知識產權,技術指標達到或優于國外產品同等水平。

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

1881年邁克爾遜（Albert．A．Michelson）設計了著名的實驗來測量“以太”漂移。當然沒測到漂移,由此導致“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致后來用光的波長定義“米”。由于他在精密光學儀器、光譜和計量領域的研究工作于1907年獲得諾貝爾獎。

1960年Maiman研制成功第一臺紅寶石激光器,從此開始了光學技術飛速發展的新時代。從此,激光干涉測量被廣泛地用于長度、角度、微觀形貌、轉速、光譜等領域,并和微電子技術、計算機技術集成,成為現代干涉儀。

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域中最成功的應用之一。利用光的干涉實現測量,具有非接觸、無損檢測的特點,已經在各個不同領域得到廣泛的應用。

而雙頻激光干涉儀正好克服了這一弱點,它是在單頻激光干涉儀的基礎上發展的一種外差式干涉儀。和單頻激光干涉儀一樣,雙頻激光干涉儀也是一種以波長作為標準對被測長度進行度量的儀器,所不同者,一方面是當可動棱鏡不動時,前者的干涉信號是介于最亮和最暗之間的某個直流光平,而后者的干涉信號是一個頻率約為1.5MHz的交流信號；另一方面,當可動棱鏡移動時,前者的干涉信號是在最亮和最暗之間緩慢變化的信號,而后者的干涉信號是使原有的交流信號頻率增加或減少了△f,結果依然是一個交流信號。因而對于雙頻激光干涉儀來說,可用放大倍數較大的交流放大器對干涉信號進行放大,這樣,即使光強衰減90%,依然可以得到合適的電信號。由于這一特點,雙頻激光干涉儀可以在恒溫,恒濕,防震的計量室內檢定量塊,量桿,刻尺和坐標測量機等,也可以在普通車間內為大型機床的刻度進行標定,既可以對幾十米的大量程進行精密測量,也可以對手表零件等微小運動進行精密測量,既可以對幾何量如長度、角度．直線度、平行度、平面度、垂直度等進行測量,也可以用于特殊場合,諸如半導體光刻技術的微定位和計算機存儲器上記錄槽間距的測量等等。

總之,雙頻激光干涉儀的優越性主要有以下幾點：

1、精度高：雙頻激光干涉儀以波長作為標準對被測長度進行度量的儀器。即使不做細分也可達到μm 量級,細分后更可達到n m量級。(安捷倫5530激光干涉儀線性精度能達到0.4ppM)

2、應用范圍廣：雙頻激光干涉儀除了可用于長度的精密測量外,測量角度、直線度、平面度、振動距離及速度等等,還可以分光進行多路測量。

3、環境適應力強：即使光強衰減90%,仍然可以得到有效的干涉信號。由于這一特點,雙頻激光干涉儀既可在恒溫、恒濕、防震的計量室內檢定量塊、量桿、刻尺、微分校準器和坐標測量機,也可以在普通的車間內為大型的機床的刻度進行標定。

隨著航空航天、重型機械、發電設備、船舶工業的發展,對大尺寸測量的要求越來越高。一些精密配合的大型零部件,尺寸達到十幾米甚至幾十米,精度要求達到IT7以上。如何測量這些零部件長期以來一直是困擾計量工作者的技術難題。目前實際應用的測量手段仍以外徑千分尺、內徑測桿等傳統測量工具為主,遠遠不能滿足需求。清華大學曾研制出一套很好的對準方法,與激光干涉儀相結合,用于測量大尺寸可達到很高的精度,但該方法必須使用高精度導向導軌,限制了在生產、安裝現場的使用。因此,開發高精度、無導軌大尺寸測量技術,一直是長度計量領域的一個重要課題。

激光技術的快速發展為大尺寸精密測量開拓了嶄新的領域。近二十年來,出現了多種無導軌大尺寸測量方法,其中,受到廣泛關注的無導軌激光干涉儀是近年來發展很快的一種先進測量方法。

小數重合法是無導軌激光干涉儀的基礎。它是一種測量和數據處理方法,常用于量塊檢定中。通俗地說,這種測量方法就像用不同長度的幾把“尺子”去量同一個物體,只要得到各次測量值的尾數,即可導出物體的實際長度,它并不關心測量的實際過程。

激光干涉儀是以波長為基本計量單位的,多波長激光器的發展,是實現不同長度“尺子”的基礎。激光器可以穩定地輸出多種波長的激光,利用光學拍波技術,可以將這些單波長合成為一組波長相近、間隔均勻的“合成波長鏈”。“合成波長鏈”是一個塔形結構,塔頂是最高一級合成波,其波長最長,塔底則是單波長。測量時,干涉儀以不同波長的激光工作,從最高級（最長波）開始,逐級下降,直至單波長。激光干涉儀的測量結果是在各種波長干涉下的一組剩余相位,以此可推導出總測量長度,由于每次的測量值都是剩余相位,與測量過程無關,因此不需要導向導軌。

選擇合適的“合成波長鏈”是無導軌激光干涉儀的關鍵。長波干涉保證了測量值的唯一性,而測量精度則取決于短波干涉。為了簡化測量過程,還有一種只使用一個合成波的方法,如采用幾百毫米的合成波,借助于普通測量工具（如卷尺）測出大致的合成波周期數,剩余相位由干涉儀測出,這種方法只需一次測量即可完成,系統結構也非常簡練,但由于所使用的波長較長,在測量精度上必然有所損失。

各國學者對無導軌激光干涉儀技術進行了大量研究,研制開發了各種激光干涉儀,歸納如下：

1、CO2激光干涉儀

CO2激光器是一種非常適合無導軌激光測量的光源,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軌激光干涉儀的研究重點。從1979年開始,由直流干涉系統到各種形式的光外差系統,CO2激光干涉儀歷經多次改進,其中一種典型方案是上世紀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,用聲光調制器的零級衍射作為本振光,構成外差系統,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果的唯一性,為此,系統加入了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點是結構簡單,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的雙頻激光干涉儀不同,其穩頻點選在兩條激光增益曲線之間,產生一對頻差為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譜線的自發輻射系數比其它譜線大很多,抑制了其它譜線的發射。清華大學利用甲烷在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系,構成“無級”的波長系列,在理想的環境下,13m長度范圍的測量精度為70μm。

5、線性調頻半導體激光干涉儀

近年來,半導體激光器線性調頻技術的發展,為無導軌激光干涉儀提供了一個理想的光源,成為無導軌激光干涉技術研究的熱點。1995年,德國采用了外腔可調諧式半導體激光器,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。

無導軌激光干涉儀技術的發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,因此各國學者傾注了大量精力進行研究開發,目前這項技術逐步走向實用化階段。隨著科技的發展,相信在不久的將來,無導軌激光干涉儀技術必將成為大尺寸測量領域中的一朵艷麗的奇葩。

雙頻激光干涉儀的發明把幾何量計量發展推向了又一個高峰,雙頻激光干涉儀是目前精度最高、量程最大的長度計量儀器,以其良好的性能、在很多場合,特別是在大長度與大位移的精密測量中得到廣泛應用。就長度計量而言,通常將200m以上的測量稱為距離測量（Distance Measurement）,3m以下的稱為一般長度測量,3~200m之間的測量稱為大尺寸測量(Large Dimension Measurement)[1]。雙頻激光干涉儀在一般長度精密測量中多有使用。雙頻激光干涉儀可以在恒溫,恒濕,防震的計量室內檢定量塊,量桿,刻尺和坐標測量機等,也可以在普通車間內為大型機床的刻度進行標定,既可以對幾十米的大量程進行精密測量,也可以對手表零件等微小運動進行精密測量,既可以對幾何量如長度、角度．直線度、平行度、平面度、垂直度等進行測量,也可以用于特殊場合,諸如半導體光刻技術的微定位和計算機存儲器上記錄槽間距的測量等等。不僅在單純的長度計量領域,在其他工程技術領域,雙頻激光干涉儀的應用也越來越廣泛,不乏一些很有創見的應用。關于雙頻激光干涉儀在解決某個工程測量問題的研究已經有非常多的成功案例,以雙頻激光干涉儀為關鍵詞的學術論文不勝枚舉,對雙頻激光干涉儀的應用,國內外很多學者常常有很獨到的理解。雙頻激光干涉儀的應用也不斷發展更新,所以,有必要對它的應用做一些有益的總結,使人們更好的理解雙頻激光干涉儀的應用,為推動生產發展提供一些理論依據。

一、 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、牽引效應和多普勒效應的基礎之上的。其原理如圖2所示,在全內腔He-Ne激光器上加約0.03T的軸向磁場,由于塞曼效應和牽引效應,發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1/4波片之后成為兩個互相垂直的線偏振光,再經平行光管準直和擴束。從平行光管出來的這束光經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生拍頻。這個拍頻頻率恰好等于激光器所發出的兩個光頻的差值即（f1-f2）,約為1.5MHz。經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）。進而可以根據立體直角棱鏡移動度數和時間求得被測長度。

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

二、雙頻激光干涉儀在大尺寸測量中的應用

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,被測長度對應的多普勒頻差為計數器記得的脈沖數K。計數器計脈沖數時,需要有信號控制計數器開始計數和停止計數,此信號由準直系統提供。當準直系統對準被測軸徑的測量起點時,發出一個開始計數信號；當準直系統對準被測的測量終點時,發出一個停止計數信號,計數器停止計數。所以準直系統對準的精度直接影響測量系統準確度。激光準直的工作原理為,由氦氖激光器發射出激光,經過前端望遠鏡系統后,發射是出一束激光束作為系統準直的基準,光電目標靶為準直系統的接收裝置,常用的是硅光電探測器。

三、雙頻激光干涉儀在數控車床檢定中的應用

雙頻激光干涉儀與不同光學附件結合,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構,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據,更接近機床的實際使用狀態。與傳統的檢定方法相比,激光干涉儀具有較高的精度和效率,并能及時處理數據,為機床誤差修正提供依據。因此,用雙頻激光干涉儀檢測機床各項誤差是一種用傳統測量手段難以實現的的技術。位置精度是機床的重要指標,目前世界各國機床檢定標準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) 。雙頻激光干涉儀在數控機床檢定上的應用,即是對其各項形位誤差的檢定,在此不予贅述。