激光干涉位移測量技術張欣（110034）摘要:為了實現納米級以上分辨力位移測量研究,利用激光干涉位移測量技術能夠達成納米級分辨力,其含有可溯源、分辨力高、測量速度快等特點,是現在位移測量領域主流技術。本文對現在關鍵激光干涉位移測量技術進行了分類介紹,并對多種干涉儀特點進行了分析,最終介紹了激光干涉位移測量技術中國外發展現實狀況和趨勢。關鍵詞:納米級;激光干涉;位移測量;1引言干涉測量技術(interferometry)是基于電磁波干涉理論,經過檢測相干電磁波圖樣,頻率、振幅、相位等屬性,將其應用于多種相關測量技術統稱。用于實現干涉測量技術儀器被稱為干涉儀。在當今多個科研領域,干涉測量技術都發揮著關鍵作用,包含天文學,光纖光學,以及多種工程測量學。其中因為上個世紀60年代激光研制成功,使得激光干涉測量技術在多種精密工程領域得到了廣泛應用。它基礎功效是將機械位移信息變成干涉條紋電信號,再對干涉條紋進行調理和細分,進而取得所需要測量信息。整個激光干涉測量系統中關鍵組成部分有光電轉換、信號調理、信號細分處理。1.1激光干涉儀分類激光干涉儀是以干涉測量為原理,利用激光作為長度基準,對數控設備(加工中心、三坐標測量機等)位置精度（定位精度、反復定位精度等）、幾何精度（撫養扭擺角度、直線度、垂直度）進行精密測量精密測量技術。因為激光含有波長穩定、波長短、含有干涉性,使得激光在現代光電測量系統中占據了關鍵地位,尤其是在激光干涉測量系統中。下面介紹激光干涉儀測量原理以及激光干涉儀。光相長干涉和相消干涉:圖1.光相長以及相消干涉假如兩束光相位相同,光波會疊加增強,表現為亮條紋,假如兩束光相位相反,光波會相互抵消,表現為暗條紋。圖1.1就是光相長以及相消干涉,而激光干涉儀關鍵依據原理就是激光干涉產生明亮條紋并將其轉換成相關電信號,從而獲取所需要位移信息。整個光電系統中激光干涉儀是最關鍵組成部分,即使現在市場存在各式激光干涉儀,但從其工作基礎原理上來說,關鍵能夠分為單頻激光干涉儀以及外差激光干涉儀兩種基礎類型。1.1.1單頻激光干涉儀圖1.2是最基礎單頻激光干涉儀和信號處理示意圖。首先激光器發出激光,光束經過準直鏡,經過分光鏡然后分為兩路,一束在參考鏡和分光鏡之間反射,另一束在測量鏡和分光鏡之間反射,最終兩束激光在分光鏡上匯合進而產生干涉。兩束激光干涉光強就會伴隨測量鏡移動而產生干涉明暗條紋改變,經過光電探測器以及對應光電轉換電路將光強信息變成電信號,經過一系列調理電路以后輸入到數字處理器或者計算機上,計算出干涉條紋數量,以后依據公式計算出位移。圖2單頻激光干涉儀原理單頻激光干涉儀測量技術即使能夠達成很高精度,不過單頻激光測量光強信號和經過光電轉換后取得電信號都是直流信號,存在直流漂移,同時單頻激光干涉儀測量技術對外界環境要求尤其高,干涉儀兩臂光強不許可有較大改變,一旦外界環境擾動造成光強改變,儀器可能就會停止工作。所以整個單頻激光干涉儀測量系統中對于信號調理就顯得尤為關鍵,這對整個光電測量系統測量正確度有著關鍵影響。1.1.2雙頻激光干涉儀為了減小單頻激光干涉儀缺點,雙頻激光干涉儀經過高頻調制測量信號相位,把信號頻帶帶出低頻區,濾除環境噪聲以及對應電噪聲。圖1.3是經典雙頻激光干涉測量系統原理圖。圖3雙頻激光干涉儀從激光器中發出兩束同軸而且在偏振方向上相互垂直線偏振光,其頻率為f1、f2,經過BS分光鏡分成兩束光,其中一束經過BS反射后直接被光電探測器所接收,作為參考光束。此時,由馬呂斯定律可知,在檢測器主截面上,這兩束相互垂直線偏振光會發生拍頻現象,拍頻信號被作為參考信號;另一束光經BS投射進入PBS偏振分光器,PBS會把這兩束偏振方向相互垂直線偏振光分開,f2經反射射向固定角隅棱鏡,f1經投射射向測量角隅棱鏡。假如測量角隅棱鏡以速度V進行移動,此時會造成多普勒效應,這時,反射回來光束頻率變為雙頻激光干涉儀是利用多普勒效應產生頻差來測量位移信息,這種位移信息加載在f1和f2頻差上,所以對由光強改變引發直流電平改變不敏感,2兩種激光干涉儀特點分析單頻激光干涉儀含有裝置結構簡單、成本低,精度高、靈敏度好特點。不過它一個根本弱點就是受環境影響嚴重,在測試環境惡劣,測量距離較長時,這一缺點十分突出,其原因在于它是一個基于直流調幅信號處理干涉儀,受環境影響嚴重,從而產生計數誤差。激光干涉儀產生光信號要經過光電轉換和電壓放大,所以會產生直流漂移誤差同時也影響著測量精度。其次,因為激光功率和輸出光束光強難以控制會引發輸出電流改變從而引發漂移。因為以上多個原因使得單品激光干涉儀應用場所受到極大限制,只能在環境條件良好情況下使用。而雙頻激光干涉儀恰好克服了這一弱點,它是基于外差干涉測測量原理。和單頻激光干涉儀一樣,雙頻激光干涉儀也是一個以波長作為標準對被測長度進行度量儀器,所以其含有抗干擾能力強、信號噪聲小等優點,被廣泛應用于在恒溫,恒濕,防震計量室內檢定量塊,量桿,刻尺和坐標測量機等,也能夠在一般車間內為大型機床刻度進行標定,既能夠對幾十米大量程進行精密測量,也能夠對手表零件等微小運動進行精密測量,既能夠對幾何量如長度、角度．直線度、平行度、平面度、垂直度等進行測量,也能夠用于特殊場所,諸如半導體光刻技術微定位和計算機存放器上統計槽間距測量等等。不過國外雙頻激光干涉儀價格昂貴,中國部分產品成本低,不過其穩定性差,壽命短。3中國外發展和應用現實狀況3.1中國外發展現實狀況現在優異激光干涉儀多來自工業發達國家,以英國雷尼紹（Renishaw）、美國安捷倫（Agilent原屬HP企業)、美國ZYGO三家企業激光干涉儀比較經典也比較成熟。中國因起步發展較晚,與發達國家還有差距。成都工具研究所是中國生產和供給激光干涉儀最關鍵廠家之一。其分辨率可達20nm,最高測量速度可達300mm/s。成都工具研究所開發產品應用范圍很廣,能夠完成直線度測量、垂直度測量、平面度測量、機床位置精度檢定等等。中國清華大學、中國計量科學研究院、北京電子顯微鏡試驗室等等都取得了納米或者亞納米測量精度。企業參數AgilentRenishawZYGO成都工具所單/雙頻雙頻單頻雙頻雙頻最大頻差（MHz）4/201.2最高測速100010005100300分辨率（nm）1.210.3120測量范圍（m）±2180±21.220表1中國外代表性干涉儀技術指標比對由表1.1能夠看出現在中國在大量程、納米級精度位移傳感研究方面與國外差距巨大,多種高精度激光干涉儀均為國外品牌,分辨率優于0.5nm納米激光干涉儀為集成電路生產設備關鍵檢測儀器,對中國禁售,嚴重制約著中國高級數控機床與基礎制造裝備、精密超精密機械和光學制造裝備、半導體集成電路、光學技術、航空航天、國防工業等技術領域發展[14],此種局面不僅包含到中國國防、經濟安全,更關系到國家由制造大國向制造強國戰略轉型。而且因為單頻激光儀直流漂移比較嚴重,現在產品較少,中國外大部分還是以雙頻激光干涉儀為主。產生雙頻激光干涉儀關鍵有塞曼效應和聲光調制兩種。3.2中國外激光干涉儀應用現實狀況NIST在二十世紀90年代初研制了一臺超高精度分子測量機,關鍵采取了雙頻激光干涉儀作為檢測手段,關鍵經過控制溫度低于1m℃浮動范圍以及高度真空環境,測量精度能達成原子尺度。PTB在成功研制除了計量型大范圍掃描探針顯微鏡,關鍵采取單頻激光干涉儀作為檢測手段,測量能力達成25nm×25nm×5nm測量范圍,5~10nm不確定度,1.25nm分辨率。NRLM研制了四光束偏振邁克爾遜干涉儀,采取穩頻塞曼激光作為光源、能實現硅晶格間距等基礎常量測量。清華大學成功在線測量超光滑表面粗糙度激光外差干涉儀,光源是穩頻半導體激光器,此干涉儀能達成0.39nm和0.73μm橫向和縱向分辨率。NIM等研制差拍法-珀干涉儀用于納米測量,其測量能力能達0.3nm分辨力,±1.1μm范圍,低于3.5nm不確定度。參考文件:[1]所