激光干涉位移測(cè)量技術(shù)

激光干涉位移測(cè)量技術(shù)張欣（110034）摘要:為了實(shí)現(xiàn)納米級(jí)以上分辨力位移測(cè)量研究,利用激光干涉位移測(cè)量技術(shù)能夠達(dá)成納米級(jí)分辨力,其含有可溯源、分辨力高、測(cè)量速度快等特點(diǎn),是現(xiàn)在位移測(cè)量領(lǐng)域主流技術(shù)。本文對(duì)現(xiàn)在關(guān)鍵激光干涉位移測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了分類介紹,并對(duì)多種干涉儀特點(diǎn)進(jìn)行了分析,最終介紹了激光干涉位移測(cè)量技術(shù)中國(guó)外發(fā)展現(xiàn)實(shí)狀況和趨勢(shì)。關(guān)鍵詞:納米級(jí);激光干涉;位移測(cè)量;1引言干涉測(cè)量技術(shù)(interferometry)是基于電磁波干涉理論,經(jīng)過(guò)檢測(cè)相干電磁波圖樣,頻率、振幅、相位等屬性,將其應(yīng)用于多種相關(guān)測(cè)量技術(shù)統(tǒng)稱。用于實(shí)現(xiàn)干涉測(cè)量技術(shù)儀器被稱為干涉儀。在當(dāng)今多個(gè)科研領(lǐng)域,干涉測(cè)量技術(shù)都發(fā)揮著關(guān)鍵作用,包含天文學(xué),光纖光學(xué),以及多種工程測(cè)量學(xué)。其中因?yàn)樯蟼€(gè)世紀(jì)60年代激光研制成功,使得激光干涉測(cè)量技術(shù)在多種精密工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。它基礎(chǔ)功效是將機(jī)械位移信息變成干涉條紋電信號(hào),再對(duì)干涉條紋進(jìn)行調(diào)理和細(xì)分,進(jìn)而取得所需要測(cè)量信息。整個(gè)激光干涉測(cè)量系統(tǒng)中關(guān)鍵組成部分有光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)調(diào)理、信號(hào)細(xì)分處理。1.1激光干涉儀分類激光干涉儀是以干涉測(cè)量為原理,利用激光作為長(zhǎng)度基準(zhǔn),對(duì)數(shù)控設(shè)備(加工中心、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等)位置精度（定位精度、反復(fù)定位精度等）、幾何精度（撫養(yǎng)扭擺角度、直線度、垂直度）進(jìn)行精密測(cè)量精密測(cè)量技術(shù)。因?yàn)榧す夂胁ㄩL(zhǎng)穩(wěn)定、波長(zhǎng)短、含有干涉性,使得激光在現(xiàn)代光電測(cè)量系統(tǒng)中占據(jù)了關(guān)鍵地位,尤其是在激光干涉測(cè)量系統(tǒng)中。下面介紹激光干涉儀測(cè)量原理以及激光干涉儀。光相長(zhǎng)干涉和相消干涉:圖1.光相長(zhǎng)以及相消干涉假如兩束光相位相同,光波會(huì)疊加增強(qiáng),表現(xiàn)為亮條紋,假如兩束光相位相反,光波會(huì)相互抵消,表現(xiàn)為暗條紋。圖1.1就是光相長(zhǎng)以及相消干涉,而激光干涉儀關(guān)鍵依據(jù)原理就是激光干涉產(chǎn)生明亮條紋并將其轉(zhuǎn)換成相關(guān)電信號(hào),從而獲取所需要位移信息。整個(gè)光電系統(tǒng)中激光干涉儀是最關(guān)鍵組成部分,即使現(xiàn)在市場(chǎng)存在各式激光干涉儀,但從其工作基礎(chǔ)原理上來(lái)說(shuō),關(guān)鍵能夠分為單頻激光干涉儀以及外差激光干涉儀兩種基礎(chǔ)類型。1.1.1單頻激光干涉儀圖1.2是最基礎(chǔ)單頻激光干涉儀和信號(hào)處理示意圖。首先激光器發(fā)出激光,光束經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡,經(jīng)過(guò)分光鏡然后分為兩路,一束在參考鏡和分光鏡之間反射,另一束在測(cè)量鏡和分光鏡之間反射,最終兩束激光在分光鏡上匯合進(jìn)而產(chǎn)生干涉。兩束激光干涉光強(qiáng)就會(huì)伴隨測(cè)量鏡移動(dòng)而產(chǎn)生干涉明暗條紋改變,經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器以及對(duì)應(yīng)光電轉(zhuǎn)換電路將光強(qiáng)信息變成電信號(hào),經(jīng)過(guò)一系列調(diào)理電路以后輸入到數(shù)字處理器或者計(jì)算機(jī)上,計(jì)算出干涉條紋數(shù)量,以后依據(jù)公式計(jì)算出位移。圖2單頻激光干涉儀原理單頻激光干涉儀測(cè)量技術(shù)即使能夠達(dá)成很高精度,不過(guò)單頻激光測(cè)量光強(qiáng)信號(hào)和經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后取得電信號(hào)都是直流信號(hào),存在直流漂移,同時(shí)單頻激光干涉儀測(cè)量技術(shù)對(duì)外界環(huán)境要求尤其高,干涉儀兩臂光強(qiáng)不許可有較大改變,一旦外界環(huán)境擾動(dòng)造成光強(qiáng)改變,儀器可能就會(huì)停止工作。所以整個(gè)單頻激光干涉儀測(cè)量系統(tǒng)中對(duì)于信號(hào)調(diào)理就顯得尤為關(guān)鍵,這對(duì)整個(gè)光電測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量正確度有著關(guān)鍵影響。1.1.2雙頻激光干涉儀為了減小單頻激光干涉儀缺點(diǎn),雙頻激光干涉儀經(jīng)過(guò)高頻調(diào)制測(cè)量信號(hào)相位,把信號(hào)頻帶帶出低頻區(qū),濾除環(huán)境噪聲以及對(duì)應(yīng)電噪聲。圖1.3是經(jīng)典雙頻激光干涉測(cè)量系統(tǒng)原理圖。圖3雙頻激光干涉儀從激光器中發(fā)出兩束同軸而且在偏振方向上相互垂直線偏振光,其頻率為f1、f2,經(jīng)過(guò)BS分光鏡分成兩束光,其中一束經(jīng)過(guò)BS反射后直接被光電探測(cè)器所接收,作為參考光束。此時(shí),由馬呂斯定律可知,在檢測(cè)器主截面上,這兩束相互垂直線偏振光會(huì)發(fā)生拍頻現(xiàn)象,拍頻信號(hào)被作為參考信號(hào);另一束光經(jīng)BS投射進(jìn)入PBS偏振分光器,PBS會(huì)把這兩束偏振方向相互垂直線偏振光分開,f2經(jīng)反射射向固定角隅棱鏡,f1經(jīng)投射射向測(cè)量角隅棱鏡。假如測(cè)量角隅棱鏡以速度V進(jìn)行移動(dòng),此時(shí)會(huì)造成多普勒效應(yīng),這時(shí),反射回來(lái)光束頻率變?yōu)殡p頻激光干涉儀是利用多普勒效應(yīng)產(chǎn)生頻差來(lái)測(cè)量位移信息,這種位移信息加載在f1和f2頻差上,所以對(duì)由光強(qiáng)改變引發(fā)直流電平改變不敏感,2兩種激光干涉儀特點(diǎn)分析單頻激光干涉儀含有裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低,精度高、靈敏度好特點(diǎn)。不過(guò)它一個(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,其原因在于它是一個(gè)基于直流調(diào)幅信號(hào)處理干涉儀,受環(huán)境影響嚴(yán)重,從而產(chǎn)生計(jì)數(shù)誤差。激光干涉儀產(chǎn)生光信號(hào)要經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換和電壓放大,所以會(huì)產(chǎn)生直流漂移誤差同時(shí)也影響著測(cè)量精度。其次,因?yàn)榧す夤β屎洼敵龉馐鈴?qiáng)難以控制會(huì)引發(fā)輸出電流改變從而引發(fā)漂移。因?yàn)橐陨隙鄠€(gè)原因使得單品激光干涉儀應(yīng)用場(chǎng)所受到極大限制,只能在環(huán)境條件良好情況下使用。而雙頻激光干涉儀恰好克服了這一弱點(diǎn),它是基于外差干涉測(cè)測(cè)量原理。和單頻激光干涉儀一樣,雙頻激光干涉儀也是一個(gè)以波長(zhǎng)作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)被測(cè)長(zhǎng)度進(jìn)行度量?jī)x器,所以其含有抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)噪聲小等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于在恒溫,恒濕,防震計(jì)量室內(nèi)檢定量塊,量桿,刻尺和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等,也能夠在一般車間內(nèi)為大型機(jī)床刻度進(jìn)行標(biāo)定,既能夠?qū)资状罅砍踢M(jìn)行精密測(cè)量,也能夠?qū)κ直砹慵任⑿∵\(yùn)動(dòng)進(jìn)行精密測(cè)量,既能夠?qū)缀瘟咳玳L(zhǎng)度、角度．直線度、平行度、平面度、垂直度等進(jìn)行測(cè)量,也能夠用于特殊場(chǎng)所,諸如半導(dǎo)體光刻技術(shù)微定位和計(jì)算機(jī)存放器上統(tǒng)計(jì)槽間距測(cè)量等等。不過(guò)國(guó)外雙頻激光干涉儀價(jià)格昂貴,中國(guó)部分產(chǎn)品成本低,不過(guò)其穩(wěn)定性差,壽命短。3中國(guó)外發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)實(shí)狀況3.1中國(guó)外發(fā)展現(xiàn)實(shí)狀況現(xiàn)在優(yōu)異激光干涉儀多來(lái)自工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,以英國(guó)雷尼紹（Renishaw）、美國(guó)安捷倫（Agilent原屬HP企業(yè))、美國(guó)ZYGO三家企業(yè)激光干涉儀比較經(jīng)典也比較成熟。中國(guó)因起步發(fā)展較晚,與發(fā)達(dá)國(guó)家還有差距。成都工具研究所是中國(guó)生產(chǎn)和供給激光干涉儀最關(guān)鍵廠家之一。其分辨率可達(dá)20nm,最高測(cè)量速度可達(dá)300mm/s。成都工具研究所開發(fā)產(chǎn)品應(yīng)用范圍很廣,能夠完成直線度測(cè)量、垂直度測(cè)量、平面度測(cè)量、機(jī)床位置精度檢定等等。中國(guó)清華大學(xué)、中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院、北京電子顯微鏡試驗(yàn)室等等都取得了納米或者亞納米測(cè)量精度。企業(yè)參數(shù)AgilentRenishawZYGO成都工具所單/雙頻雙頻單頻雙頻雙頻最大頻差（MHz）4/201.2最高測(cè)速100010005100300分辨率（nm）1.210.3120測(cè)量范圍（m）±2180±21.220表1中國(guó)外代表性干涉儀技術(shù)指標(biāo)比對(duì)由表1.1能夠看出現(xiàn)在中國(guó)在大量程、納米級(jí)精度位移傳感研究方面與國(guó)外差距巨大,多種高精度激光干涉儀均為國(guó)外品牌,分辨率優(yōu)于0.5nm納米激光干涉儀為集成電路生產(chǎn)設(shè)備關(guān)鍵檢測(cè)儀器,對(duì)中國(guó)禁售,嚴(yán)重制約著中國(guó)高級(jí)數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備、精密超精密機(jī)械和光學(xué)制造裝備、半導(dǎo)體集成電路、光學(xué)技術(shù)、航空航天、國(guó)防工業(yè)等技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展[14],此種局面不僅包含到中國(guó)國(guó)防、經(jīng)濟(jì)安全,更關(guān)系到國(guó)家由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型。而且因?yàn)閱晤l激光儀直流漂移比較嚴(yán)重,現(xiàn)在產(chǎn)品較少,中國(guó)外大部分還是以雙頻激光干涉儀為主。產(chǎn)生雙頻激光干涉儀關(guān)鍵有塞曼效應(yīng)和聲光調(diào)制兩種。3.2中國(guó)外激光干涉儀應(yīng)用現(xiàn)實(shí)狀況NIST在二十世紀(jì)90年代初研制了一臺(tái)超高精度分子測(cè)量機(jī),關(guān)鍵采取了雙頻激光干涉儀作為檢測(cè)手段,關(guān)鍵經(jīng)過(guò)控制溫度低于1m℃浮動(dòng)范圍以及高度真空環(huán)境,測(cè)量精度能達(dá)成原子尺度。PTB在成功研制除了計(jì)量型大范圍掃描探針顯微鏡,關(guān)鍵采取單頻激光干涉儀作為檢測(cè)手段,測(cè)量能力達(dá)成25nm×25nm×5nm測(cè)量范圍,5~10nm不確定度,1.25nm分辨率。NRLM研制了四光束偏振邁克爾遜干涉儀,采取穩(wěn)頻塞曼激光作為光源、能實(shí)現(xiàn)硅晶格間距等基礎(chǔ)常量測(cè)量。清華大學(xué)成功在線測(cè)量超光滑表面粗糙度激光外差干涉儀,光源是穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器,此干涉儀能達(dá)成0.39nm和0.73μm橫向和縱向分辨率。NIM等研制差拍法-珀干涉儀用于納米測(cè)量,其測(cè)量能力能達(dá)0.3nm分辨力,±1.1μm范圍,低于3.5nm不確定度。參考文件:[1]所