雙頻激光干涉儀技術現狀與發展

作　　者：所睿 范志軍 李巖 張書練
機構地區：清華大學,精密儀器與機械學系,精密測試技術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域中最成功的應用之一，是工業中最具權威的長度測量儀器。它可用于精密機床、大規模集成電路加工設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、抗環境干擾、允許光源多通道復用等諸多優點，使得干涉測長技術能真正用于實際生產。
2 國內外產品現狀
目前干涉儀產品大多為雙頻激光干涉儀。產生雙頻激光的方法主要是利用塞曼效應和聲光調制。塞曼效應受頻差閉鎖現象影響，產生的雙頻頻差一般較小，通常最大頻差不超過4MHz。聲光調制方法得到的頻差通常較大，一些產品雙頻激光頻差達到20MHz以上。聲光調制方法的頻率穩定性也非常好，可以利用鎖相放大器處理信號；缺點是穩頻、調制、合光等環節使得光學結構復雜，調整困難，成本也偏高。
目前國外生產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 ，儀器的光學系統如圖1所示。

其中5519B的主要參數如下：
激光源：最大頻差：4MHz
真空波長精度(壽命范圍內)：±0.1ppm
真空波長穩定性(1小時)：0.002ppm
最高測速：1000mm/s
數據處理電路單元：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。為適應多通道測量的要求，其部分產品不再采用以前產品將激光頭、接收器、電源集成在一起的結構(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 。利用雙縱模穩頻、然后去掉一個縱模，在光學設計上保證準確的相位差，通過高精度測相和高速A/D轉換技術，實現高速和高分辨率測量。其主要光學系統如圖2所示。

主要參數如下：
激光光源：頻率精度(長時間)：±0.05ppm
頻率穩定性(1小時)：0.02ppm
最高測速：1000mm/s
數據處理電路板：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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