激光干涉位移測量技術(shù)張欣（110034）摘要:為了實現(xiàn)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(shù)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(xiàn)在位移測量領(lǐng)域主流技術(shù)。本文對現(xiàn)在關(guān)鍵激光干涉位移測量技術(shù)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(shù)中國外發(fā)展現(xiàn)實狀況和趨勢。關(guān)鍵詞:納米級;激光干涉;位移測量;1引言干涉測量技術(shù)(interferometry)是基于電磁波干涉理論,經(jīng)過檢測相干電磁波圖樣,頻率、振幅、相位等屬性,將其應(yīng)用于多種相關(guān)測量技術(shù)統(tǒng)稱。用于實現(xiàn)干涉測量技術(shù)儀器被稱為干涉儀。在當(dāng)今多個科研領(lǐng)域,干涉測量技術(shù)都發(fā)揮著關(guān)鍵作用,包含天文學(xué),光纖光學(xué),以及多種工程測量學(xué)。其中因為上個世紀(jì)60年代激光研制成功,使得激光干涉測量技術(shù)在多種精密工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。它基礎(chǔ)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(diào)理和細(xì)分,進而取得所需要測量信息。整個激光干涉測量系統(tǒng)中關(guān)鍵組成部分有光電轉(zhuǎn)換、信號調(diào)理、信號細(xì)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(zhǔn),對數(shù)控設(shè)備(加工中心、三坐標(biāo)測量機等)位置精度（定位精度、反復(fù)定位精度等）、幾何精度（撫養(yǎng)扭擺角度、直線度、垂直度）進行精密測量精密測量技術(shù)。因為激光含有波長穩(wěn)定、波長短、含有干涉性,使得激光在現(xiàn)代光電測量系統(tǒng)中占據(jù)了關(guān)鍵地位,尤其是在激光干涉測量系統(tǒng)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(xiàn)為亮條紋,假如兩束光相位相反,光波會相互抵消,表現(xiàn)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(guān)鍵依據(jù)原理就是激光干涉產(chǎn)生明亮條紋并將其轉(zhuǎn)換成相關(guān)電信號,從而獲取所需要位移信息。整個光電系統(tǒng)中激光干涉儀是最關(guān)鍵組成部分,即使現(xiàn)在市場存在各式激光干涉儀,但從其工作基礎(chǔ)原理上來說,關(guān)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(chǔ)類型。1.1.1單頻激光干涉儀圖1.2是最基礎(chǔ)單頻激光干涉儀和信號處理示意圖。首先激光器發(fā)出激光,光束經(jīng)過準(zhǔn)直鏡,經(jīng)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(chǎn)生干涉。兩束激光干涉光強就會伴隨測量鏡移動而產(chǎn)生干涉明暗條紋改變,經(jīng)過光電探測器以及對應(yīng)光電轉(zhuǎn)換電路將光強信息變成電信號,經(jīng)過一系列調(diào)理電路以后輸入到數(shù)字處理器或者計算機上,計算出干涉條紋數(shù)量,以后依據(jù)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(shù)即使能夠達成很高精度,不過單頻激光測量光強信號和經(jīng)過光電轉(zhuǎn)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(shù)對外界環(huán)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(huán)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(tǒng)中對于信號調(diào)理就顯得尤為關(guān)鍵,這對整個光電測量系統(tǒng)測量正確度有著關(guān)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(jīng)過高頻調(diào)制測量信號相位,把信號頻帶帶出低頻區(qū),濾除環(huán)境噪聲以及對應(yīng)電噪聲。圖1.3是經(jīng)典雙頻激光干涉測量系統(tǒng)原理圖。圖3雙頻激光干涉儀從激光器中發(fā)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(jīng)過BS分光鏡分成兩束光,其中一束經(jīng)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(fā)生拍頻現(xiàn)象,拍頻信號被作為參考信號;另一束光經(jīng)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(jīng)反射射向固定角隅棱鏡,f1經(jīng)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(yīng),這時,反射回來光束頻率變?yōu)殡p頻激光干涉儀是利用多普勒效應(yīng)產(chǎn)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(fā)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(jié)構(gòu)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(huán)境影響嚴(yán)重,在測試環(huán)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(diào)幅信號處理干涉儀,受環(huán)境影響嚴(yán)重,從而產(chǎn)生計數(shù)誤差。激光干涉儀產(chǎn)生光信號要經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換和電壓放大,所以會產(chǎn)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(fā)輸出電流改變從而引發(fā)漂移。因為以上多個原因使得單品激光干涉儀應(yīng)用場所受到極大限制,只能在環(huán)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(biāo)準(zhǔn)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(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于在恒溫,恒濕,防震計量室內(nèi)檢定量塊,量桿,刻尺和坐標(biāo)測量機等,也能夠在一般車間內(nèi)為大型機床刻度進行標(biāo)定,既能夠?qū)资状罅砍踢M行精密測量,也能夠?qū)κ直砹慵任⑿∵\動進行精密測量,既能夠?qū)缀瘟咳玳L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(dǎo)體光刻技術(shù)微定位和計算機存放器上統(tǒng)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(chǎn)品成本低,不過其穩(wěn)定性差,壽命短。3中國外發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)實狀況3.1中國外發(fā)展現(xiàn)實狀況現(xiàn)在優(yōu)異激光干涉儀多來自工業(yè)發(fā)達國家,以英國雷尼紹（Renishaw）、美國安捷倫（Agilent原屬HP企業(yè))、美國ZYGO三家企業(yè)激光干涉儀比較經(jīng)典也比較成熟。中國因起步發(fā)展較晚,與發(fā)達國家還有差距。成都工具研究所是中國生產(chǎn)和供給激光干涉儀最關(guān)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(fā)產(chǎn)品應(yīng)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(xué)、中國計量科學(xué)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(yè)參數(shù)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(shù)指標(biāo)比對由表1.1能夠看出現(xiàn)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(yōu)于0.5nm納米激光干涉儀為集成電路生產(chǎn)設(shè)備關(guān)鍵檢測儀器,對中國禁售,嚴(yán)重制約著中國高級數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備、精密超精密機械和光學(xué)制造裝備、半導(dǎo)體集成電路、光學(xué)技術(shù)、航空航天、國防工業(yè)等技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展[14],此種局面不僅包含到中國國防、經(jīng)濟安全,更關(guān)系到國家由制造大國向制造強國戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型。而且因為單頻激光儀直流漂移比較嚴(yán)重,現(xiàn)在產(chǎn)品較少,中國外大部分還是以雙頻激光干涉儀為主。產(chǎn)生雙頻激光干涉儀關(guān)鍵有塞曼效應(yīng)和聲光調(diào)制兩種。3.2中國外激光干涉儀應(yīng)用現(xiàn)實狀況NIST在二十世紀(jì)90年代初研制了一臺超高精度分子測量機,關(guān)鍵采取了雙頻激光干涉儀作為檢測手段,關(guān)鍵經(jīng)過控制溫度低于1m℃浮動范圍以及高度真空環(huán)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(guān)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(wěn)頻塞曼激光作為光源、能實現(xiàn)硅晶格間距等基礎(chǔ)常量測量。清華大學(xué)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(wěn)頻半導(dǎo)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