外差激光干涉仪原理
外差激光干涉仪是一种利用激光干涉原理进行测量的仪器。它通过比较两束激光的相位差来实现测量的精确性和稳定性。在这篇文章中，我将详细解释外差激光干涉仪的原理，并介绍其在实际应用中的一些特点和优势。
外差激光干涉仪的原理基于激光的干涉现象。干涉是指两束波的相加形成干涉条纹的现象。在激光干涉仪中，一束激光通过分束器被分成两束光，分别称为参考光和测量光。这两束光分别经过参考光路和测量光路，然后再通过干涉仪进行干涉。干涉的结果就是在干涉屏或探测器上产生干涉条纹。
在外差激光干涉仪中，参考光和测量光的相位差是通过一个延迟线或光纤引入的。延迟线或光纤的长度可以调节，从而改变两束光的相位差。当相位差为零时，两束光相干叠加，产生最亮的干涉条纹；当相位差为π时，两束光相消干涉，产生暗纹。通过改变延迟线或光纤的长度，我们可以得到一系列的干涉条纹。
外差激光干涉仪中使用的激光是单色激光，即波长相同、频率相同的激光。这样可以确保干涉条纹的稳定性和清晰度。为了进一步提高精确性，激光光路中通常会使用一些光学元件，如波片、偏振器等来控制光的传输方向和强度。
外差激光干涉仪的一个显著特点是它可以实现非接触式测量。比如，在机械加工中，我们可以通过测量工件表面的形状变化或振动情况来判断工件的质量。利用外差激光干涉仪，我们可以将测量光直接照射到工件表面，观察干涉条纹的变化，从而得到表面形状和振动的信息。这种非接触式测量可以避免与工件之间的物理接触，从而保护工件的表面免受损坏。
外差激光干涉仪的另一个优点是其高精度和高分辨率。由于激光是单色相干光，它的波长稳定性非常高。干涉仪中的干涉条纹可以通过探测器转换为电信号，并经过放大和处理后得到数字信号。这些数字信号可以被计算机进行处理和分析，从而得到非常精确和准确的测量结果。外差激光干涉仪在工业领域和科学研究中具有广泛的应用，如测量物体长度、表面形貌、振动频率等。
与其他测量方法相比，外差激光干涉仪还具有一些其它的优势。首先，它可以在各种环境条件下进行测量。无论是在高温、低温、高湿度、高真空还是其他恶劣环境条件下，外差激光干涉仪都能够提供可靠的测量结果。其次，它的工作原理简单，易于操作和维护。只需要调节延迟线或光纤的长度即可改变两束光的相位差，从而实现测量范围的调整。此外，激光的功率可以调节，可以适应不同的测量需求。
激光干涉测量系统
Laser Interferometer
型号：DISTAX L-LM-20B
购入时间：2004年01月
价格：303400元（人民币）
制造厂家：日本东京精密公司
安装地点：延长校区机械楼102室
所在单位：机自学院精密机械系
所在地址：延长路149号
联系人：程维明
联系电话：（021）56333903
仪器简介：
激光干涉测量系统是以激光为长度基准，对长度等几何量进行精密测量的仪器。可以进行精密位移测量，配以相应的工夹具可以测量大型装置的长度、角度等几何量。该激光干涉仪以光纤为光束传导介质，并带有空气传感器和工件温度传感器，使用、安装方便，精度高。
主要技术指标：
测量分辨率：10nm；测量精度：0.1μm；测量速度：0.4ms-1；激光功率：1Mw
应用范围：
长度测量、位移测量等
SJ6000激光干涉仪产品采用美国进口高稳频氦氖激光器、激光双纵模热稳频技术、高精度环境补偿模块、几何参量干涉光路设计、高精度激光干涉信号处理系统、高性能计算机控制系统技术，实现各种参数的高精度测量。通过激光热稳频控制技术，实现快速(约6分钟)、高精度(0.05ppm)、抗干扰能力强、长期稳定性好的激光频率输出，采用不同的光学镜组可以测量出线性、角度、直线度、平面度和垂直度等几何量，并且可以进行动态分析。
SJ6000激光干涉仪产品具有测量精度高、测量速度快、最高测速下分辨率高、测量范围大等优点。通过与不同的光学组件结合，可以实现对直线度、垂直度、角度、平面度、平行度等多种几何精度的测量。在相关软件的配合下，还可以对数控机床进行动态性能检测，可以进行机床振动测试与分析，滚珠丝杆的动态特性分析，驱动系统的响应特性分析，导轨的动态特性分析等，具有极高的精度和效率，为机床误差修正提供依据。
激光干涉仪角度测量方法
1.1.1. 角度测量构建 与线性测量原理一样，角度测量需要角度干涉镜和角度反射镜，并且角度反射镜和角度干涉镜必须有一个相对旋转。相对旋转后，会导致角度测量的两束光的光程差发生变化，而光程差的变化会被SJ6000激光干涉仪探测器探测出来，由软件将线性位置的变化转换为角度的变化显示出来。
图
1-角度测量原理及测量构建
图 2水平轴俯仰角度测量样图 图 3-2水平轴偏摆角度测量样图
1.1.2. 角度测量的应用
1.1.2.1. 小角度精密测量
激光干涉仪角度镜能实现±10°以内的角度精密测量。
图 4-小角度测量实例
1.1.2.2. 准直平台/倾斜工作台的测量
由于角度镜组的不同安装方式，其测量结果代表不同方向的角度值。您可以结合实际需要进行安装、测量。
图 5-水平方向角度测量
图 6-垂直方向角度测量
在垂直方向的角度测量中，角度反射镜记录下导轨在不同位置时的角度值，可由软件分析导轨的直线度信息，实现角度镜组测量直线度功能。
工程技术 计算机光盘软件与应用 Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ＣＤ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ Ａｐｐ１ｉｃａｔｉｏｎｓ ２０１０年第１２期 双频激光外差干涉的应用技术 张爱红 （医护卫生学校，吉林四平１３６０００） 摘要：针对以往双频激光外差干涉的舍去高阶误差测量方法，而这种方法在精度要求上已经越来越显得捉襟见肘， 不适用于要求精度高的仪器，如纳米技术、机械加工等。本文结合双频激光外差干涉的速度快、精度高、抗干扰能力强、 重复性好、溯源性强等特点，根据多普勒频移公式，建立了超精密矢量位移的测量方法。这种测量方法被广泛应用于数控 机床、三坐标测量机等，动态特性测量和分析。 关键词：纳米技术；速度快；抗干扰能力；动态特性 中图分类号：ＴＢ３８３ 文献标识码：Ａ 文章缟号：１００７—９５９９（２０１０）１２—００９２—０１ Ｌａｓｅｒ Ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｚｈａｎｇ Ａｉｈｏｎｇ （Ｓｉｐｉｎｇ Ｍｅｄｉｃａｌ＆Ｈｅａｌｔｈ Ｓｃｈｏｏｌ，Ｓｉｐｉｎｇ １ ３６０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｓｔ ｄｏｕｂｌｅ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｌａｓｅｒ ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｅｌｉｍｉｎａｔｅｄ ｈｉｇｈｅｒ－ｏｒｄｅｒ ｅｒｒＯｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ．ａｎｄ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ａｃｃｕｒａｃｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｒｉｃｈｌｙ ａｎｄ ｄｏ ｎｏｔ ａｐｐｌｙ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｈｉ吐ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ｓｕｃｈ ａｓ ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｅｔｃ．Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｄｕａｌ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｌａｓｅｒ ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｓｔｒｏｎｇ ａｎｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ，ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｔｒａｃｅａｂｉｌｉｔｙ ｓｔｒｏｎｇ ｓｅｘｕａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｄｏｐｐｌｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｆｏｒｍｕｌａ，ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｕｌｔｒａ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｖｅｃｔｏｒ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｍｅａｓ￣ｅｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅ ｍｅａｓ￣ｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌｓ，ｔｒｉ－ｏｒｄｉｎａｔｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｅｔｃ，ｄｙｎａｍｉｃ ｍｅａｓ￣ｅｍｅｍ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｎａｎｏ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ｓｐｅｅｄ；Ａｎｔｉ．ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｂｉｌｉｔｙ；Ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ 微／纳米技术的发展，离不开微米级和纳米级的测量技术与设 备。具有微米及亚微米测量精度的几何量与表面形貌测量技术已 经比较成熟，如双频激光干涉测量系统（精度１０ｎｍ）、具有ｌｎｍ 精度的光学触针式轮廓扫描系统等。因为扫描隧道显微镜、扫描 探针显微镜和原子力显微镜用来直接观测原子尺度结构的实现， 使得进行原子级的操作、装配和改形等加工处理成为近几年来的 前沿技术。而激光外差干涉测量是几何量精密测量的主要技术之 一，属精密测量技术领域。通过偏振方向正交的两个波长的激光 器，实现双波长外差干涉的外差干涉仪，将外差信号进行光电转 换的声光调制器以及外差信号的相位检测电路和数据处理单元。 一、用双波长激光外差干涉测长 用双波长激光进行外差干涉测量绝对距离系统，其特征在于 该系统是从激光头发出的两束偏振方向相互垂直的线偏振光，再 经准直系统扩束后，被分束镜分为两部分，其中一部分（约４％） 被反向到振动方向４５。放置的检偏器，全盛新的线偏振光，产生 多普勒效应的拍频，频率为 喝，作为参考信号被光电探测器接 收，透射的大部分光束被偏振分光镜分为两束，五被反射到固定 的角隅棱镜后返回， 透过偏振分束镜射向可动角隅棱镜并返回。 由于可动角隅棱镜的运动，使反射回来的光束频率发生移动，变 为 这两束光在偏振分光镜处再次会合，投射到振动方向 ４５。放置的检偏器，按马吕斯定律合成新的线偏振光，也产生多 普勒效应的拍频，其频率为ｒｅ－（ｆｌ十 ，作为测量信号被另一 个光电探测器接收。这两支信号分别经过交流前置放大器后被送 入混频器，可以解调出被测信号＋ 用可逆计数器对＋ ，信号 累计干涉条纹的变化敉Ｎ，可以计算出可动角隅棱镜的位移量， 即可获得被测距距离值：Ｌ＝＋Ｎ ／２ 二、激光外差干涉在精密定位中的应用 使用平面反射镜作为测量镜，由激光器射出的一束振动方向 相互垂直的线偏振光ｆ 和ｆ２在偏振分光镜的Ａ点分开。垂直于纸 面振动ｆｚ光反射到上面参考角隅棱镜后又反射回来，在Ｂ点反射 出偏振分束镜。平行于纸面振动的ｆ１光自Ａ点透过偏振分束镜， 射向平面反射镜后又被反射回来，该反射光因反射镜的移动，产 生多普勒频移 ，ｏ因为它两次透过１／４波片，振动方向转过９０ 。，使 ，光在偏振分光镜的分束面上不能通过，而反射至下 面的角隅棱镜后又反射回Ｂ点。 ＋ＡＳ光经分束镜再次射向平面 反向镜后，就 ／１ｆｏ同样因两次通过１／４波片，振动方向再转 过９０。， ，光在分束面上就由反射就透射。这时， ， 与 汇合在一起，回到激光头的接收系统中去。 该干涉仪系统有以下两个特点： １．仪器分辨率由于多普勒频差增加一倍而增加一倍。 ２．平面反射镜相对于光轴的任何偏斜只会使反射回的光束偏 移，而不会偏斜。 上述干涉系统具有的对平面反射镜偏斜不敏感的特性，大大 放宽了对平面反射镜的失调要求，可以将其应用于双轴精密定位 台上，其优点是：允许ｘ方向的测量，因而两坐标测量的两块反 射镜可以安装在同一个部件上，便于在双轴测量系统中消除阿贝 偏移误差。这种系统在测量Ｘ方向的位移时，因导轨存在直线性 误差，测量台的Ｙ方向的偏移也能同时监测出来。 参考文献： 【１】所睿．双频激光干涉仪技术现状与发展 作者简历 张爱红（１９６９一），女，工作单位：吉林省四平市医护卫校。职称： 讲师。职务：电教中心主任。 一
