一.激光干涉儀概述

 激光干涉儀是一種以波長作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)被測長度進(jìn)行測量的儀器。激光干涉儀是20世紀(jì)60年代末期問世的一種新型的測量設(shè)備，由美國HP公司研制成功并于1970年投入市場，隨即受到了相關(guān)行業(yè)是機(jī)床制造業(yè)的重視，其主要在：線形、角度、垂直度、直線度、平面度等方面上應(yīng)用。隨著激光干涉儀測量技術(shù)的不斷，測量軟件的不斷開發(fā)其測量范圍越來越廣泛，是在測量數(shù)控機(jī)床位置方面用途為廣泛。

二.激光干涉儀工作原理

激光

激光輸出可被視為正弦光波。

從激光頭射出的光波有三個(gè)關(guān)鍵特性：

波長已知，能夠?qū)崿F(xiàn)測量

波長很短，能夠?qū)崿F(xiàn)精密測量或高分辨率測量

光波均為同相，能夠?qū)崿F(xiàn)干涉條紋

氦氖激光管

LASER是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的縮寫，意為通過受激發(fā)射線的放射光的放大，即激光

?大多數(shù)現(xiàn)代位移干涉儀都使用氦氖??(HeNe)??激光管。這些激光管具有633納米(nm)的波長輸出氦氖激光管的構(gòu)成如下所示：

當(dāng)高壓連接在陽和陰之間時(shí)，混合氣體被激發(fā)，形成激光光束

當(dāng)激光光束在兩個(gè)反射鏡之間來回共振時(shí)激光光強(qiáng)被放大

一些光出陽反射鏡，成為輸出激光光束

激光光束包含兩種正交模式（在上圖中分別用紅色和藍(lán)色表示）

?這兩種模式具有相近的頻率（它們相差2ppm）但處于垂直化狀態(tài)

?激光增益曲線在下頁顯示

干涉測量法原理：

兩種模式的強(qiáng)度用光敏二管測量，通過加熱器控制激光管長度來實(shí)現(xiàn)平衡

這使激光穩(wěn)頻保持在±0.05ppm以內(nèi)

激光實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出后，即可用于進(jìn)行干涉測量

線性干涉原理

注：干涉鏡分很多種：為簡單起見，這里所述的是線性角錐反射鏡系統(tǒng)。

?激光頭發(fā)出的光被分光鏡(A)分成兩束光

?大約一半激光被射到固定角錐反射鏡(B)上，形成參考光束。另一半激光射到移動(dòng)角錐反射鏡(C)上，形成測量光束。

干涉測量法的原理

角錐反射鏡通常由玻璃制成，經(jīng)打磨和拋光后形成“三面直角棱鏡”

?它有一個(gè)很有用的特性—總是將輸入光束以平行于來光的方向反射回去

?這使光束準(zhǔn)直過程簡單易行，并測量光束和參考光束在疊加時(shí)保持平行

干涉

角錐反射鏡將兩束光返回到分光鏡中，光束疊加并彼此干涉，可能是：

相消干涉（如果兩束光中的相位相反）。在此情況下，一束光的峰值被波谷抵消，產(chǎn)生暗條紋

也可能是相長干涉（如果兩束光中的相位相同）。在此情況下，一束光的峰值被另一束光的波峰加強(qiáng)，產(chǎn)生明條紋

運(yùn)動(dòng)測量

如果測量光路長度改變（角錐反射鏡C移動(dòng)），干涉光束的相對(duì)相位將改變，由此產(chǎn)生的相長干涉和相消干涉的循環(huán)將導(dǎo)致疊加光束強(qiáng)度的明暗周期變化，角錐反射鏡每移動(dòng)316nm（因?yàn)榇艘苿?dòng)會(huì)造成633nm的光路長度變化），就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)光強(qiáng)變化循環(huán)（明－暗－明），通過計(jì)算這些循環(huán)來測量移動(dòng)，通過在這些循環(huán)之間進(jìn)行相位細(xì)分，實(shí)現(xiàn)更高分辨率(1nm)的測量。

盡管目前的干涉儀更為精密，但測量距離±0.5ppm或更高時(shí)仍采用上述基本原理

一個(gè)角錐反射鏡緊緊固定在分光鏡上，形成固定長度參考光束。另一個(gè)角錐反射鏡相對(duì)于分光鏡移動(dòng)，形成變化長度測量光束。

從激光頭射出的激光光束(1)具有單一頻率，標(biāo)稱波長為0.633μm，長期波長穩(wěn)定性（真空中）0.05ppm。當(dāng)此光束到達(dá)偏振分光鏡時(shí)，被分成兩束光—反射光束(2)和光束(3)。這兩束光被傳送到各自的角錐反射鏡中，然后反射回分光鏡中，在嵌于激光頭中的探測器中形成干涉光束。

如果兩光程差不變化，探測器將在相長干涉和相消干涉的兩端之間的某個(gè)位置觀察到一個(gè)穩(wěn)定的信號(hào)。如果兩光程差發(fā)生變化，每次光路變化時(shí)探測器觀察到相長干涉和相消干涉兩端之間的信號(hào)變化。這些變化（條紋）被數(shù)出來，用于計(jì)算兩光程差的變化。測量的長度等于條紋數(shù)乘以激光波長的一半。

應(yīng)當(dāng)注意到，激光波長將取決于光束經(jīng)過的空氣的折射率。由于空氣折射率會(huì)隨著氣溫、壓力和相對(duì)濕度的變化而變化，用于計(jì)算測量值的波長值可能需要對(duì)這些環(huán)境參數(shù)的變化進(jìn)行補(bǔ)償。在實(shí)踐中，對(duì)于技術(shù)指標(biāo)中的測量，只有線性位移（定位）測量需要進(jìn)行此類補(bǔ)償，在這種情況下兩束光的光程差變化可能大。

波長補(bǔ)償

線性定位測量取決于激光波長的已知。這不與激光的穩(wěn)頻有關(guān)，而且還與周圍環(huán)境參數(shù)有關(guān)。尤其是氣溫、氣壓和相對(duì)濕度將會(huì)影響激光光束的波長（在空氣中）。

如果不對(duì)波長的變化進(jìn)行補(bǔ)償，激光線性測量誤差可能50ppm。即使在溫度受控的房間內(nèi)，日常的空氣

壓力變化也可能使波長變化達(dá)20ppm以上。作為參考，以下每項(xiàng)環(huán)境條件的變化都將導(dǎo)致大約1ppm的誤差：

空氣溫度      1C(1.8°F)

空氣壓力      3.3mbar(0.098inHg)

相對(duì)濕度（20°C時(shí)）   50%

相對(duì)濕度（40°C時(shí)）   30%

注：這些值是在惡劣條件下的影響值，并且它們并非不受其他參數(shù)值的影響。可采用環(huán)境補(bǔ)償單元通過埃德倫公式來減小這些誤差

三.中圖SJ6000激光干涉儀技術(shù)參數(shù)