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激光干涉儀是一種以波長(zhǎng)作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)被測(cè)長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)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(cè)量設(shè)備,由美國(guó)HP公司研制成功并于1970年投入市場(chǎng),隨即受到了相關(guān)行業(yè)特別是機(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(cè)量技術(shù)的不斷提高,測(cè)量軟件的不斷開發(fā)其測(cè)量范圍越來越廣泛,特別是在測(cè)量數(shù)控機(jī)床位置精度方面用途最為廣泛。

激光干涉儀發(fā)射單一頻率光束射入線性干涉鏡,然后分成兩道光束,一道光束（參考光束）射向連接分光鏡的反射鏡,而第二道透射光束（測(cè)量光束）則通過分光鏡射入第二個(gè)反射鏡,這兩道光束再反射回到分光鏡,重新匯聚之后返回激光器,其中會(huì)有一個(gè)探測(cè)器監(jiān)控兩道光束之間的干涉（見圖）。

若光程差沒有變化時(shí),探測(cè)器會(huì)在相長(zhǎng)性和相消性干涉的兩極之間找到穩(wěn)定的信號(hào)。若光程差有變化時(shí),探測(cè)器會(huì)在每一次光程變化時(shí),在相長(zhǎng)性和相消性干涉的兩極之間找到變化信號(hào),這些變化會(huì)被計(jì)算并用來測(cè)量?jī)蓚�(gè)光程之間的差異變化。

1、單頻激光干涉儀

從激光器發(fā)出的光束,經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后由分光鏡分為兩路,并分別從固定反射鏡和可動(dòng)反射鏡反射回來會(huì)合在分光鏡上而產(chǎn)生干涉條紋。當(dāng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí),干涉條紋的光強(qiáng)變化由接受器中的光電轉(zhuǎn)換元件和電子線路等轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào),經(jīng)整形、放大后輸入可逆計(jì)數(shù)器計(jì)算出總脈沖數(shù),再由電子計(jì)算機(jī)按計(jì)算式式中λ為激光波長(zhǎng)(N 為電脈沖總數(shù)),算出可動(dòng)反射鏡的位移量L。使用單頻激光干涉儀時(shí),要求周圍大氣處于穩(wěn)定狀態(tài),各種空氣湍流都會(huì)引起直流電平變化而影響測(cè)量結(jié)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(chǔ)上發(fā)展而來的一種外差式干涉儀。

在氦氖激光器上,加上一個(gè)約0.03特斯拉的軸向磁場(chǎng)。由于塞曼分裂效應(yīng)和頻率牽引效應(yīng),激光器產(chǎn)生f1和f2兩個(gè)不同頻率的左旋和右旋圓偏振光。經(jīng)1/4波片后成為兩個(gè)互相垂直的線偏振光,再經(jīng)分光鏡分為兩路。一路經(jīng)偏振片1后成為含有頻率為f1-f2的參考光束。另一路經(jīng)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(dāng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí),含有f2的光束經(jīng)可動(dòng)反射鏡反射后成為含有f2±Δf的光束,Δf是可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí)因多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的附加頻率,正負(fù)號(hào)表示移動(dòng)方向(多普勒效應(yīng)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(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)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(jīng)偏振片 2后會(huì)合成為f1-(f2±Δf）的測(cè)量光束。測(cè)量光束和上述參考光束經(jīng)各自的光電轉(zhuǎn)換元件、放大器、整形器后進(jìn)入減法器相減,輸出成為僅含有±Δf的電脈沖信號(hào)。經(jīng)可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后,由電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行當(dāng)量換算（乘 1/2激光波長(zhǎng)）后即可得出可動(dòng)反射鏡的位移量。雙頻激光干涉儀是應(yīng)用頻率變化來測(cè)量位移的,這種位移信息載于f1和f2的頻差上,對(duì)由光強(qiáng)變化引起的直流電平變化不敏感,所以抗干擾能力強(qiáng)。它常用于檢定測(cè)長(zhǎng)機(jī)、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、光刻機(jī)和加工中心等的坐標(biāo)精度,也可用作測(cè)長(zhǎng)機(jī)、高精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等的測(cè)量系統(tǒng)。利用相應(yīng)附件,還可進(jìn)行高精度直線度測(cè)量、平面度測(cè)量和小角度測(cè)量。

國(guó)內(nèi)雙頻激光干涉儀生產(chǎn)企業(yè)主要有北京鐳測(cè)科技有限公司,該公司的產(chǎn)品技術(shù)和工作人員主要來自于清華大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于國(guó)外產(chǎn)品同等水平。

1604年開普勒（J．Kepler）寫出光學(xué)著作,指出光的強(qiáng)度和到達(dá)光源距離的平方成反比。并于1611年出版《折射光學(xué)》。

1801年托馬斯•楊（Thomas Young）用雙狹縫實(shí)驗(yàn)演示了光的干涉現(xiàn)象,即著名的楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)。

1881年邁克爾遜（Albert．A．Michelson）設(shè)計(jì)了著名的實(shí)驗(yàn)來測(cè)量“以太”漂移。當(dāng)然沒測(cè)到漂移,由此導(dǎo)致“以太”說的破滅和相對(duì)論的誕生。它首次用于干涉儀,以鎘紅譜線與國(guó)際米原器作對(duì)比。正是由于他的工作導(dǎo)致后來用光的波長(zhǎng)定義“米”。由于他在精密光學(xué)儀器、光譜和計(jì)量領(lǐng)域的研究工作于1907年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

1960年Maiman研制成功第一臺(tái)紅寶石激光器,從此開始了光學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的新時(shí)代。從此,激光干涉測(cè)量被廣泛地用于長(zhǎng)度、角度、微觀形貌、轉(zhuǎn)速、光譜等領(lǐng)域,并和微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)集成,成為現(xiàn)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(fā)明原子力顯微鏡,1986年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。從此開始了干涉儀向納米、亞納米分辨率和精度前進(jìn)的新時(shí)代。

由于激光具有極好的時(shí)間相干性,自問世以來,已研制出多種激光干涉儀：?jiǎn)晤l激光干涉儀、雙頻激光干涉儀、半導(dǎo)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(jì)量領(lǐng)域中最成功的應(yīng)用之一。利用光的干涉實(shí)現(xiàn)測(cè)量,具有非接觸、無損檢測(cè)的特點(diǎn),已經(jīng)在各個(gè)不同領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

單頻的激光器它的一個(gè)根本弱點(diǎn)就是受環(huán)境影響嚴(yán)重,在測(cè)試環(huán)境惡劣,測(cè)量距離較長(zhǎng)時(shí),這一缺點(diǎn)十分突出。其原因在于它是一種直流測(cè)量系統(tǒng),必然具有直流光平和電平零漂的弊端。激光干涉儀可動(dòng)反光鏡移動(dòng)時(shí),光電接收器會(huì)輸出信號(hào),如果信號(hào)超過了計(jì)數(shù)器的觸發(fā)電平則就會(huì)被記錄下來,而如果激光束強(qiáng)度發(fā)生變化,就有可能使光電信號(hào)低于計(jì)數(shù)器的觸發(fā)電平而使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù),使激光器強(qiáng)度或干涉信號(hào)強(qiáng)度變化的主要原因是空氣湍流,機(jī)床油霧,切削屑對(duì)光束的影響,結(jié)果光束發(fā)生偏移或波面扭曲。這種無規(guī)則的變化較難通過觸發(fā)電平的自動(dòng)調(diào)整來補(bǔ)償,因而限制了單頻干涉儀的應(yīng)用范圍,只有設(shè)法用交流測(cè)量系統(tǒng)代替直流測(cè)量系統(tǒng)才能從根本上克服單頻激光干涉儀的這一弱點(diǎn)。

而雙頻激光干涉儀正好克服了這一弱點(diǎn),它是在單頻激光干涉儀的基礎(chǔ)上發(fā)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(zhǎng)作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)被測(cè)長(zhǎng)度進(jìn)行度量的儀器,所不同者,一方面是當(dāng)可動(dòng)棱鏡不動(dòng)時(shí),前者的干涉信號(hào)是介于最亮和最暗之間的某個(gè)直流光平,而后者的干涉信號(hào)是一個(gè)頻率約為1.5MHz的交流信號(hào)；另一方面,當(dāng)可動(dòng)棱鏡移動(dòng)時(shí),前者的干涉信號(hào)是在最亮和最暗之間緩慢變化的信號(hào),而后者的干涉信號(hào)是使原有的交流信號(hào)頻率增加或減少了△f,結(jié)果依然是一個(gè)交流信號(hào)。因而對(duì)于雙頻激光干涉儀來說,可用放大倍數(shù)較大的交流放大器對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行放大,這樣,即使光強(qiáng)衰減90%,依然可以得到合適的電信號(hào)。由于這一特點(diǎn),雙頻激光干涉儀可以在恒溫,恒濕,防震的計(jì)量室內(nèi)檢定量塊,量桿,刻尺和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等,也可以在普通車間內(nèi)為大型機(jī)床的刻度進(jìn)行標(biāo)定,既可以對(duì)幾十米的大量程進(jìn)行精密測(cè)量,也可以對(duì)手表零件等微小運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精密測(cè)量,既可以對(duì)幾何量如長(zhǎng)度、角度．直線度、平行度、平面度、垂直度等進(jìn)行測(cè)量,也可以用于特殊場(chǎng)合,諸如半導(dǎo)體光刻技術(shù)的微定位和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器上記錄槽間距的測(cè)量等等。

總之,雙頻激光干涉儀的優(yōu)越性主要有以下幾點(diǎn)：

1、精度高：雙頻激光干涉儀以波長(zhǎng)作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)被測(cè)長(zhǎng)度進(jìn)行度量的儀器。即使不做細(xì)分也可達(dá)到μm 量級(jí),細(xì)分后更可達(dá)到n m量級(jí)。(安捷倫5530激光干涉儀線性精度能達(dá)到0.4ppM)

2、應(yīng)用范圍廣：雙頻激光干涉儀除了可用于長(zhǎng)度的精密測(cè)量外,測(cè)量角度、直線度、平面度、振動(dòng)距離及速度等等,還可以分光進(jìn)行多路測(cè)量。

3、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)：即使光強(qiáng)衰減90%,仍然可以得到有效的干涉信號(hào)。由于這一特點(diǎn),雙頻激光干涉儀既可在恒溫、恒濕、防震的計(jì)量室內(nèi)檢定量塊、量桿、刻尺、微分校準(zhǔn)器和坐標(biāo)測(cè)量機(jī),也可以在普通的車間內(nèi)為大型的機(jī)床的刻度進(jìn)行標(biāo)定。

雙頻激光干涉儀的發(fā)明使激光干涉儀最終擺脫了計(jì)量室的束縛,更為廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中。

隨著航空航天、重型機(jī)械、發(fā)電設(shè)備、船舶工業(yè)的發(fā)展,對(duì)大尺寸測(cè)量的要求越來越高。一些精密配合的大型零部件,尺寸達(dá)到十幾米甚至幾十米,精度要求達(dá)到IT7以上。如何測(cè)量這些零部件長(zhǎng)期以來一直是困擾計(jì)量工作者的技術(shù)難題。目前實(shí)際應(yīng)用的測(cè)量手段仍以外徑千分尺、內(nèi)徑測(cè)桿等傳統(tǒng)測(cè)量工具為主,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求。清華大學(xué)曾研制出一套很好的對(duì)準(zhǔn)方法,與激光干涉儀相結(jié)合,用于測(cè)量大尺寸可達(dá)到很高的精度,但該方法必須使用高精度導(dǎo)向?qū)к?限制了在生產(chǎn)、安裝現(xiàn)場(chǎng)的使用。因此,開發(fā)高精度、無導(dǎo)軌大尺寸測(cè)量技術(shù),一直是長(zhǎng)度計(jì)量領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。

激光技術(shù)的快速發(fā)展為大尺寸精密測(cè)量開拓了嶄新的領(lǐng)域。近二十年來,出現(xiàn)了多種無導(dǎo)軌大尺寸測(cè)量方法,其中,受到廣泛關(guān)注的無導(dǎo)軌激光干涉儀是近年來發(fā)展很快的一種先進(jìn)測(cè)量方法。

小數(shù)重合法是無導(dǎo)軌激光干涉儀的基礎(chǔ)。它是一種測(cè)量和數(shù)據(jù)處理方法,常用于量塊檢定中。通俗地說,這種測(cè)量方法就像用不同長(zhǎng)度的幾把“尺子”去量同一個(gè)物體,只要得到各次測(cè)量值的尾數(shù),即可導(dǎo)出物體的實(shí)際長(zhǎng)度,它并不關(guān)心測(cè)量的實(shí)際過程。

激光干涉儀是以波長(zhǎng)為基本計(jì)量單位的,多波長(zhǎng)激光器的發(fā)展,是實(shí)現(xiàn)不同長(zhǎng)度“尺子”的基礎(chǔ)。激光器可以穩(wěn)定地輸出多種波長(zhǎng)的激光,利用光學(xué)拍波技術(shù),可以將這些單波長(zhǎng)合成為一組波長(zhǎng)相近、間隔均勻的“合成波長(zhǎng)鏈”。“合成波長(zhǎng)鏈”是一個(gè)塔形結(jié)構(gòu),塔頂是最高一級(jí)合成波,其波長(zhǎng)最長(zhǎng),塔底則是單波長(zhǎng)。測(cè)量時(shí),干涉儀以不同波長(zhǎng)的激光工作,從最高級(jí)（最長(zhǎng)波）開始,逐級(jí)下降,直至單波長(zhǎng)。激光干涉儀的測(cè)量結(jié)果是在各種波長(zhǎng)干涉下的一組剩余相位,以此可推導(dǎo)出總測(cè)量長(zhǎng)度,由于每次的測(cè)量值都是剩余相位,與測(cè)量過程無關(guān),因此不需要導(dǎo)向?qū)к墶?/P>

選擇合適的“合成波長(zhǎng)鏈”是無導(dǎo)軌激光干涉儀的關(guān)鍵。長(zhǎng)波干涉保證了測(cè)量值的唯一性,而測(cè)量精度則取決于短波干涉。為了簡(jiǎn)化測(cè)量過程,還有一種只使用一個(gè)合成波的方法,如采用幾百毫米的合成波,借助于普通測(cè)量工具（如卷尺）測(cè)出大致的合成波周期數(shù),剩余相位由干涉儀測(cè)出,這種方法只需一次測(cè)量即可完成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也非常簡(jiǎn)練,但由于所使用的波長(zhǎng)較長(zhǎng),在測(cè)量精度上必然有所損失。

各國(guó)學(xué)者對(duì)無導(dǎo)軌激光干涉儀技術(shù)進(jìn)行了大量研究,研制開發(fā)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(dǎo)軌激光測(cè)量的光源,它在10.6μm波段具有豐富的譜線,相鄰譜線的波長(zhǎng)差分布也比較均勻,構(gòu)成的“合成波長(zhǎng)鏈”的波長(zhǎng)可從10.6μm到25m,因此,CO2激光干涉儀一直是無導(dǎo)軌激光干涉儀的研究重點(diǎn)。從1979年開始,由直流干涉系統(tǒng)到各種形式的光外差系統(tǒng),CO2激光干涉儀歷經(jīng)多次改進(jìn),其中一種典型方案是上世紀(jì)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(zhǎng)控制,順序輸出6種波長(zhǎng),用聲光調(diào)制器的零級(jí)衍射作為本振光,構(gòu)成外差系統(tǒng),測(cè)量精度可達(dá)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(gè)波長(zhǎng),合成波長(zhǎng)為84.2μm。從“合成波長(zhǎng)鏈”的角度考慮,波長(zhǎng)過短難以保證測(cè)量結(jié)果的唯一性,為此,系統(tǒng)加入了He-Ne激光器的3.39μm譜線,將“合成波長(zhǎng)鏈”延伸到464μm。Ne-Xe激光干涉儀的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,測(cè)量精度可達(dá)1.8×10-7。

3、He-Ne激光干涉儀

中國(guó)計(jì)量科學(xué)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(fā)的雙頻激光干涉儀不同,其穩(wěn)頻點(diǎn)選在兩條激光增益曲線之間,產(chǎn)生一對(duì)頻差為1080MHz的左、右旋偏振光（這兩個(gè)偏振光不在同一增益曲線上）,合成波長(zhǎng)為278mm。利用光柵測(cè)量干涉的剩余相位。系統(tǒng)測(cè)量長(zhǎng)度可達(dá)100m,測(cè)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(fā)輻射系數(shù)比其它譜線大很多,抑制了其它譜線的發(fā)射。清華大學(xué)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(qiáng)度,成功研制出了3.39μm波段雙波長(zhǎng)激光干涉儀,其“合成波長(zhǎng)鏈”從3.39μm到1m,單波穩(wěn)定性為1×10-8。

4、變波長(zhǎng)激光干涉儀

變波長(zhǎng)激光干涉儀采用兩個(gè)激光器,利用諧振腔長(zhǎng)與輸出頻率的關(guān)系,構(gòu)成“無級(jí)”的波長(zhǎng)系列,在理想的環(huán)境下,13m長(zhǎng)度范圍的測(cè)量精度為70μm。

5、線性調(diào)頻半導(dǎo)體激光干涉儀

近年來,半導(dǎo)體激光器線性調(diào)頻技術(shù)的發(fā)展,為無導(dǎo)軌激光干涉儀提供了一個(gè)理想的光源,成為無導(dǎo)軌激光干涉技術(shù)研究的熱點(diǎn)。1995年,德國(guó)采用了外腔可調(diào)諧式半導(dǎo)體激光器,其外腔由全息光柵組成,通過改變光柵的角度進(jìn)行頻率選擇,相干長(zhǎng)度可達(dá)100m,40m長(zhǎng)度范圍的分辨率可達(dá)40μm。

無導(dǎo)軌激光干涉儀技術(shù)的發(fā)展僅有二十多年的歷史,由于它在大尺寸測(cè)量中具有無可替代的重要性,因此各國(guó)學(xué)者傾注了大量精力進(jìn)行研究開發(fā),目前這項(xiàng)技術(shù)逐步走向?qū)嵱没�階段。隨著科技的發(fā)展,相信在不久的將來,無導(dǎo)軌激光干涉儀技術(shù)必將成為大尺寸測(cè)量領(lǐng)域中的一朵艷麗的奇葩。

隨著20世紀(jì)60年代初激光的出現(xiàn),幾何量計(jì)量技術(shù)的發(fā)展步入了嶄新的時(shí)期。雙頻激光干涉儀正是利用激光具有頻率穩(wěn)定、單色性好等優(yōu)點(diǎn),在幾何量計(jì)量領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。雙頻激光干涉儀具有精度高、應(yīng)用范圍廣、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)速高等一系列無可比擬的優(yōu)勢(shì),成為幾何量計(jì)量活動(dòng)的生力軍。相比于激光干涉儀,現(xiàn)代雙頻激光干涉儀擺脫了計(jì)量室的束縛,在越來越廣闊的工程測(cè)量領(lǐng)域大顯身手。因此,雙頻激光干涉的發(fā)明對(duì)計(jì)量事業(yè)的發(fā)展乃至整個(gè)科學(xué)事業(yè)的發(fā)展有著舉足輕重的作用。本文根據(jù)雙頻激光干涉儀應(yīng)用領(lǐng)域的最新發(fā)展,對(duì)雙頻激光干涉儀的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要的總結(jié)。

雙頻激光干涉儀的發(fā)明把幾何量計(jì)量發(fā)展推向了又一個(gè)高峰,雙頻激光干涉儀是目前精度最高、量程最大的長(zhǎng)度計(jì)量?jī)x器,以其良好的性能、在很多場(chǎng)合,特別是在大長(zhǎng)度與大位移的精密測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。就長(zhǎng)度計(jì)量而言,通常將200m以上的測(cè)量稱為距離測(cè)量（Distance Measurement）,3m以下的稱為一般長(zhǎng)度測(cè)量,3~200m之間的測(cè)量稱為大尺寸測(cè)量(Large Dimension Measurement)[1]。雙頻激光干涉儀在一般長(zhǎng)度精密測(cè)量中多有使用。雙頻激光干涉儀可以在恒溫,恒濕,防震的計(jì)量室內(nèi)檢定量塊,量桿,刻尺和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等,也可以在普通車間內(nèi)為大型機(jī)床的刻度進(jìn)行標(biāo)定,既可以對(duì)幾十米的大量程進(jìn)行精密測(cè)量,也可以對(duì)手表零件等微小運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精密測(cè)量,既可以對(duì)幾何量如長(zhǎng)度、角度．直線度、平行度、平面度、垂直度等進(jìn)行測(cè)量,也可以用于特殊場(chǎng)合,諸如半導(dǎo)體光刻技術(shù)的微定位和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器上記錄槽間距的測(cè)量等等。不僅在單純的長(zhǎng)度計(jì)量領(lǐng)域,在其他工程技術(shù)領(lǐng)域,雙頻激光干涉儀的應(yīng)用也越來越廣泛,不乏一些很有創(chuàng)見的應(yīng)用。關(guān)于雙頻激光干涉儀在解決某個(gè)工程測(cè)量問題的研究已經(jīng)有非常多的成功案例,以雙頻激光干涉儀為關(guān)鍵詞的學(xué)術(shù)論文不勝枚舉,對(duì)雙頻激光干涉儀的應(yīng)用,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者常常有很獨(dú)到的理解。雙頻激光干涉儀的應(yīng)用也不斷發(fā)展更新,所以,有必要對(duì)它的應(yīng)用做一些有益的總結(jié),使人們更好的理解雙頻激光干涉儀的應(yīng)用,為推動(dòng)生產(chǎn)發(fā)展提供一些理論依據(jù)。

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(yīng)、牽引效應(yīng)和多普勒效應(yīng)的基礎(chǔ)之上的。其原理如圖2所示,在全內(nèi)腔He-Ne激光器上加約0.03T的軸向磁場(chǎng),由于塞曼效應(yīng)和牽引效應(yīng),發(fā)出一束含有兩個(gè)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(jīng)1/4波片之后成為兩個(gè)互相垂直的線偏振光,再經(jīng)平行光管準(zhǔn)直和擴(kuò)束。從平行光管出來的這束光經(jīng)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(gè)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(chǎn)生拍頻。這個(gè)拍頻頻率恰好等于激光器所發(fā)出的兩個(gè)光頻的差值即（f1-f2）,約為1.5MHz。經(jīng)光電元件接受進(jìn)入前置放大器和計(jì)算機(jī)。另一部分透過析光鏡沿院方向射向偏振分光棱鏡�；ハ啻怪钡木�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(cè)量棱鏡,這時(shí)如果它以速度v運(yùn)動(dòng),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(huì)合,然后到45°放置的檢偏器上產(chǎn)生拍頻被光電元件接收,進(jìn)入前置放大器和計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行比較,計(jì)算它們之間的差值±Δf（即多普勒頻差）。進(jìn)而可以根據(jù)立體直角棱鏡移動(dòng)度數(shù)和時(shí)間求得被測(cè)長(zhǎng)度。

雙頻激光干涉儀中,雙頻起到了調(diào)頻的作用,被測(cè)信號(hào)只是疊加在這一調(diào)頻副載波上,這副載波與被測(cè)信號(hào)一起均被接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

二、雙頻激光干涉儀在大尺寸測(cè)量中的應(yīng)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(cè)量中優(yōu)先考慮的測(cè)量手段。

1、雙頻激光干涉儀測(cè)量大尺寸軸徑

雙頻激光干涉儀是一種增量式測(cè)長(zhǎng)儀。在時(shí)間t內(nèi),被測(cè)長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的多普勒頻差為計(jì)數(shù)器記得的脈沖數(shù)K。計(jì)數(shù)器計(jì)脈沖數(shù)時(shí),需要有信號(hào)控制計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)和停止計(jì)數(shù),此信號(hào)由準(zhǔn)直系統(tǒng)提供。當(dāng)準(zhǔn)直系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)被測(cè)軸徑的測(cè)量起點(diǎn)時(shí),發(fā)出一個(gè)開始計(jì)數(shù)信號(hào)；當(dāng)準(zhǔn)直系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)被測(cè)的測(cè)量終點(diǎn)時(shí),發(fā)出一個(gè)停止計(jì)數(shù)信號(hào),計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。所以準(zhǔn)直系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)的精度直接影響測(cè)量系統(tǒng)準(zhǔn)確度。激光準(zhǔn)直的工作原理為,由氦氖激光器發(fā)射出激光,經(jīng)過前端望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)后,發(fā)射是出一束激光束作為系統(tǒng)準(zhǔn)直的基準(zhǔn),光電目標(biāo)靶為準(zhǔn)直系統(tǒng)的接收裝置,常用的是硅光電探測(cè)器。

三、雙頻激光干涉儀在數(shù)控車床檢定中的應(yīng)用

雙頻激光干涉儀與不同光學(xué)附件結(jié)合,可以測(cè)量距離、直線度、垂直度、平行度、平面度。由于儀器為模塊化結(jié)構(gòu),安裝位置靈活,便于分析機(jī)床誤差來源;而且測(cè)量時(shí)可以在工作部件運(yùn)動(dòng)過程中自動(dòng)采集數(shù)據(jù),更接近機(jī)床的實(shí)際使用狀態(tài)。與傳統(tǒng)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(shí)處理數(shù)據(jù),為機(jī)床誤差修正提供依據(jù)。因此,用雙頻激光干涉儀檢測(cè)機(jī)床各項(xiàng)誤差是一種用傳統(tǒng)測(cè)量手段難以實(shí)現(xiàn)的的技術(shù)。位置精度是機(jī)床的重要指標(biāo),目前世界各國(guó)機(jī)床檢定標(biāo)準(zhǔn)中都推薦使用激光干涉儀進(jìn)行該項(xiàng)精度的檢定。用雙頻激光干涉儀檢定位置精度使用長(zhǎng)度干涉儀和測(cè)量反射鏡,測(cè)量時(shí)將長(zhǎng)度干涉儀置于不動(dòng)位置,反射器安裝在運(yùn)動(dòng)部件上(也可相反) 。雙頻激光干涉儀在數(shù)控機(jī)床檢定上的應(yīng)用,即是對(duì)其各項(xiàng)形位誤差的檢定,在此不予贅述。