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基于“双频激光外差干涉仪技术”的分析与研究摘要:文章概述了国内外双频激光外差干涉仪产品的现状，介绍了近年来双频激光外差干涉仪向高分辨率、高精度、高测速等几个方向的发展趋势。关键词:双频激光干涉仪；外差干涉；高分辨率；高精度；高测速Abstract: The present state of the dual-frequency laser interferometer in the world is introduced in brief. The trends of development to high resolution, high accuracy, high measurement speed etc. are given.Key words: dual-frequency laser interferometer; heterodyne interferometer; high resolution; high accaracy; high mea-surment speed1、 引言双频激光干涉仪是激光在计量领域中最成功的应用之一，是工业中最具权威的长度测量仪器。它可用于精密机床、大规模集成电路加工设备等的在线在位测量、误差修正和控制。双频激光干涉仪采用外差干涉测量原理1，克服了普通单频干涉仪测量信号直流漂移的问题，具有信号噪声小、抗环境干扰、允许光源多通道复用等诸多优点，使得干涉测长技术能真正用于实际生产。双频激光干涉仪是在单频激光干涉仪的基础上发展的一种外差式干涉仪。被测信号载波在一个固定频差上，整个系统成为交流系统，大大提高了抗干扰能力，特别适合现场条件下使用。仪器与不同光学部件组合.可测且长度、角度、速度、直线度、平行度、平面度、垂直度等，寮有“小型计量室”之称。2、 双频激光外差干涉仪的原理及精度图1 双频激光外差工作原理图图1为双频激光干涉仪原理图。单模激光器1置于纵向磁场2中，由于塞曼效应使输出激光分裂为具有一定频差(约1-2MHz )，旋转方向相反的左、右圆偏振光，双频激光干涉仪就是以这两个具有不同频率（f1,f2）的圆偏振光作为光源。左、右圆偏振光通过/4波片3后成为相互垂直的线偏振光(f1垂直于纸面，f2平行于纸面)，析光镜4将一小部分光反射，经过主截面45o放置的检偏器6，在C处由光电探测器接收，接收信号经前置放大整形电路8处理后，作为后续电路处理的基准信号。通过析光镜4的光经扩束器5扩束后射向偏振分光镜9，偏振分光镜按照偏振光方向将f1和f2分离，偏振方向平行于纸面的f2光透过偏振分光镜到测量反射镜11。当测量反射镜移动时，产生多普勒效应，返回光频率变为f2f，f为多普勒频移量，它包含了测量反射镜的位移信息。返回的f1，f2f光在偏振分光镜再度汇合，经反射镜12、主截面45o放置的检偏器13在A处由光电探测器14接收，接收信号经前置放大整形电路15处理后，作为系统的测量信号。2.1双频激光外差干涉仪的精度2双频激光干涉仪原理公式中的滋长又系指测量时刻的波长值。光在空气中传播时，波长受折射率影响，即n=0式中，n为空气折射率，0为真空波长，0为光在空气中传播的波长。空气折射率则与气温t、气压p、温度f有关。根据Edlen公式可以导出在气温t=20C , 气压p= 101 325Pa ( 760rnmHg)，水汽分压f=133. 22Pa(10mmHg)附近的微分式n=-93t+0.27p-0.04f10-8式中n为相对上述标准状态的空气折射率变化量。Edlen公式本身的精度为510-8。在计量中，侧量值是指在标准计量温度20时的示值。而实际测量时往往不能保证温度为20C，因此濡要对被测件温度进行修正，修正公式为LS=L1-atw-20式中，LS为测量长度L折合为20时的长度，a为测件线膨胀系数，tw为被测件温度。2.2仪器精度仪器精度是指因仪器本身不完善而造成的误差3，包括Ellen公式误差510-8，干涉仪电路部分误差NN，激光波长误差00等。双频激光干涉仪的光学系统误差很小，可略去。仪器精度可用下式表示仪器=（510-8）2+（NN）2+（00）2干涉仪电路运算部分精度很高，其误差可略去，主要考虑计数部分的一量化误差，其值为士1分辨率当量。激光波长精度一般在10-8量级。所以双频激光干涉仪器精度很高，通常认为可达到0.1ppm+1分辨率当量。仪器精度是指在测量环境及安装绝对理想的情况下仪器所能达到的极限精度，实际使用中是很难达到的。3、 双频激光外差干涉仪在机床检定中的应用机床检定是双频激光干涉仪的主要用途，与传统的检测方法相比，具有以下特点:（1）可检测项目多。双频激光干涉仪与不同的附件组合，可测量距离、直线度、垂直度、偏摆角、平行度、平面度、转台精度及速度、加速度4等，并可对机床振动情况进行分析，这些检测项目几乎包括了机床精度检定的所有主要指标。（2）检测时，可在机床工作部件的运动过程中自动采集数据，检测状态与机床工作状态一致，测量数据准确反映了机床的实际工作状况。（3）可实现全自动测量，避免了人为因素的影响。（4）检测时，可以及时按所规定标准处理数据，分析测量结果，为机床调整提供依据。（5）检测速度快，精度高。由于上述特点，在国内外的机床检定标准中，都推荐使用双频激光干涉仪。3.1机床位置精度的检定位置精度是各类机床的重要指标。使用双频激光干涉仪的长度测量功能即可检定机床位置精度。将长度干涉仪置于固定位置，测量反射镜安装在运动部件上(亦可相反)。在测量垂直坐标时，有两种安装方法。一种是将长度干涉仪通常的测量反射镜与固定反射镜交换使用，使测量光束折转90o；另一种是使用专用折向棱镜将测量光束折转90o。后者在现场安装时较为方便。在测量精度要求较高时，需考虑温度影响和安装误差，尤其在测量垂直坐标时，空气和机床温度都存在明显的梯度，这给测量带来很大困难。为解决此问题，如第一讲所述，可在20C下长时间等温，使空气及机床温度均匀相等。在测量的始端位置(或末端位置)使长度干涉仪与测量反射器尽量接近是消除空程误差的有效方法。阿贝误差实际反映了机床精度，有时有意将测量光轴置于机床加工空间距导轨的最远处，以充分暴露机床在最大阿贝臂下的误差。 如果机床的换向误差过大，不可能有好的位置精度。数控机床的传动一般采用滚珠丝杠副，丝杠与螺母之间有预紧力，丝杠与螺母的间隙不是换向误差的主要来源，换向误差主要来自丝杠安装的轴向窜动等环节。分析检测结果，如果换向误差过大，则需要对机床进行调整，然后再测量，再调整，直到正向平均偏差曲线与反向平均偏差曲线相交或距离最小。然后将各测量点的换向误差平均值输人数控系统进行软件修正。换向误差修正之后，系统误差5主要反映了滚珠丝杠副的螺旋线误差，通过机械调整是无法解决的。此时可将系统误差曲线输人数控系统，用数学插补法进行补偿。在MJS双频激光干涉仪中，上述的测量一修正过程已完全自动化，使用时将双频激光干涉仪与数控系统相联，输人所要求的各项参数，系统即可自动完成测量、数据处理和修正补偿工作，无需任何人工干预，这是通常的检测方法无法做到的。4、 双频激光外差干涉仪的派生应用双频激光干涉仪在机床检定中的应用是双频激光干涉仪的基本功能，无需对仪器作任何改动即可实现。双频激光干涉仪同时又是一种高精度的长度传感器，可以直接安装在机床或各种测量仪器上作为定位系统，也可以与其它传感器结合，构成新的测量系统。下面介绍双频激光干涉仪的部分派生应用。4.1激光测长机由于激光干涉仪6是目前精度最高、量程最大的长度计量仪器，因而在许多场合可以作为长度计量基准仪器。大型基准仪器多为特殊设计的激光干涉仪系统，也有直接使用商品激光干涉仪的，如法国国家性能实验室(BMN)建立的长度基准即采用HP5501 A双频激光头，系统的精度可达1.3m/3m7。对于工厂计量室，可以方便地将双频激光干涉仪安装在普通测长机上，取代原测长机的玻璃线纹尺，组成一台简易激光测长机。若对原测长机进行一些改动，将双频激光干涉仪的测量反射镜与测长机测头刚性联接，这样双频激光干涉仪就取代了原测长机的微调部分，测量数据完全由双频激光干涉仪显示。双频激光干涉仪用于测长机上，一般可将测长机精度提高一个量级，这不仅因为双频激光干涉仪的精度高于玻璃线纹尺，更主要的是在布局上完全消除了阿贝误差。5、 结论双频激光干涉仪问看高分辨率、高精度、高测速等方向发展，为了实现上述目标，其研究领域也进在一步深入拓宽，我们应该加强研究，争取早日研制出具有自主知识产权的仪器，缩小与世界先进水平的差距。参考文献1关信安，袁树忠，刘玉照.双频激光干涉仪M.中国训量出版社，19872羡一民.双频激光干涉仪的原理及应用M，机械部成都研究所，19963戴高良.双频激光纳米干涉测量技术的研究D.申请清华大学工学博士学位论文，1998.4殷纯永.现代干涉测量技术M.天津大学出版社，1999.5 戴高良.双频激光纳米干涉测量技术的研究D.申请清华大学工学博士学位论文，1998.6 Jin Yuye, Zhang Shulian, Li Yan, et al. Zeeman-Birefrin-genre He-Ne Dual Frequency LasersJ .Chinese Physic