雙頻激光干涉儀技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

作　　者：所睿 范志軍 李巖 張書練
機構(gòu)地區(qū)：清華大學(xué),精密儀器與機械學(xué)系,精密測試技術(shù)與儀器國家重點實驗室,北京,100084

1 引 言
雙頻激光干涉儀是激光在計量領(lǐng)域中最成功的應(yīng)用之一，是工業(yè)中最具權(quán)威的長度測量儀器。它可用于精密機床、大規(guī)模集成電路加工設(shè)備等的在線在位測量、誤差修正和控制。雙頻激光干涉儀采用外差干涉測量原理，克服了普通單頻干涉儀測量信號直流漂移的問題，具有信號噪聲小、抗環(huán)境干擾、允許光源多通道復(fù)用等諸多優(yōu)點，使得干涉測長技術(shù)能真正用于實際生產(chǎn)。
2 國內(nèi)外產(chǎn)品現(xiàn)狀
目前干涉儀產(chǎn)品大多為雙頻激光干涉儀。產(chǎn)生雙頻激光的方法主要是利用塞曼效應(yīng)和聲光調(diào)制。塞曼效應(yīng)受頻差閉鎖現(xiàn)象影響，產(chǎn)生的雙頻頻差一般較小，通常最大頻差不超過4MHz。聲光調(diào)制方法得到的頻差通常較大，一些產(chǎn)品雙頻激光頻差達到20MHz以上。聲光調(diào)制方法的頻率穩(wěn)定性也非常好，可以利用鎖相放大器處理信號；缺點是穩(wěn)頻、調(diào)制、合光等環(huán)節(jié)使得光學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整困難，成本也偏高。
目前國外生產(chǎn)激光干涉儀的公司有美國的Agilent(前身為HP)、ZYGO、英國的Renishaw等公司。其產(chǎn)品各具特點，售價也都很昂貴。
Agilent(HP)公司的雙頻激光干涉儀采用自制的塞曼雙頻激光器作光源 ，儀器的光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示。

其中5519B的主要參數(shù)如下：
激光源：最大頻差：4MHz
真空波長精度(壽命范圍內(nèi))：±0.1ppm
真空波長穩(wěn)定性(1小時)：0.002ppm
最高測速：1000mm/s
數(shù)據(jù)處理電路單元：在1000mm／s測速時測量分辨率可達1.24nm，測量范圍±21.2m
Agilent公司的雙頻激光干涉儀可以多通道同時測量。為適應(yīng)多通道測量的要求，其部分產(chǎn)品不再采用以前產(chǎn)品將激光頭、接收器、電源集成在一起的結(jié)構(gòu)(如HP5528A)，而將各個功能模塊分離，在每一通道光路上分別布置光電接收器。

Renishaw公司的ML10gold干涉儀實際上是單頻偏振干涉的方案 。利用雙縱模穩(wěn)頻、然后去掉一個縱模，在光學(xué)設(shè)計上保證準(zhǔn)確的相位差，通過高精度測相和高速A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，實現(xiàn)高速和高分辨率測量。其主要光學(xué)系統(tǒng)如圖2所示。

主要參數(shù)如下：
激光光源：頻率精度(長時間)：±0.05ppm
頻率穩(wěn)定性(1小時)：0.02ppm
最高測速：1000mm/s
數(shù)據(jù)處理電路板：在1000mm/s測速時測量分辨率可達1.24nm，測量范圍80m
由于是單頻激光器，Renishaw公司的產(chǎn)品不能多路分光使用，同時對多軸測量就需要多個激光頭，增加成本。

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