一.激光干涉儀概述

 激光干涉儀是一種以波長作為標準對被測長度進行測量的儀器。激光干涉儀是20世紀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：

當高壓連接在陽和陰之間時，混合氣體被激發(fā)，形成激光光束

當激光光束在兩個反射鏡之間來回共振時激光光強被放大

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：

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

這使激光穩(wěn)頻保持在±0.05ppm以內(nèi)

激光實現(xiàn)穩(wěn)定輸出后，即可用于進行干涉測量

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

?這使光束準直過程簡單易行，并測量光束和參考光束在疊加時保持平行

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，產(chǎn)生明條紋

運動測量

如果測量光路長度改變（角錐反射鏡C移動），干涉光束的相對相位將改變，由此產(chǎn)生的相長干涉和相消干涉的循環(huán)將導致疊加光束強度的明暗周期變化，角錐反射鏡每移動316nm（因為此移動會造成633nm的光路長度變化），就會出現(xiàn)一個光強變化循環(huán)（明－暗－明），通過計算這些循環(huán)來測量移動，通過在這些循環(huán)之間進行相位細分，實現(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或更高時仍采用上述基本原理

一個角錐反射鏡緊緊固定在分光鏡上，形成固定長度參考光束。另一個角錐反射鏡相對于分光鏡移動，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，標稱波長為0.633μm，長期波長穩(wěn)定性（真空中）0.05ppm。當此光束到達偏振分光鏡時，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位置觀察到一個穩(wěn)定的信號。如果兩光程差發(fā)生變化，每次光路變化時探測器觀察到相長干涉和相消干涉兩端之間的信號變化。這些變化（條紋）被數(shù)出來，用于計算兩光程差的變化。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。由于空氣折射率會隨著氣溫、壓力和相對濕度的變化而變化，用于計算測量值的波長值可能需要對這些環(huán)境參數(shù)的變化進行補償。在實踐中，對于技術(shù)指標中的測量，只有線性位移（定位）測量需要進行此類補償，在這種情況下兩束光的光程差變化可能大。

波長補償

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、氣壓和相對濕度將會影響激光光束的波長（在空氣中）。

如果不對波長的變化進行補償，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20ppm以上。作為參考，以下每項環(huán)境條件的變化都將導致大約1ppm的誤差：

空氣溫度      1C(1.8°F)

空氣壓力      3.3mbar(0.098inHg)

相對濕度（20°C時）   50%

相對濕度（40°C時）   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)