雙頻激光干涉儀的原理與應用

雙頻激光干涉儀的原理與應用

1用于網(wǎng)絡測量和誤差的在線原位測量和控制雙頻激光干燥儀是激光在測量領域中最成功的應用之一。這是行業(yè)中最權威的長度測量儀器。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、允許光源多通道復用等諸多優(yōu)點,使得干涉測長技術能真正用于實際生產。2雙頻激光干涉儀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(xiàn)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(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、調制、合光等環(huán)節(jié)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(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):±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±21.2mAgilent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(wěn)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(xiàn)高速和高分辨率測量。其主要光學系統(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。ZYGO公司的部分產品(如7712)利用聲光調制法獲得雙頻,頻差可達20MHz。用于高速測量。其主要參數(shù)如下:激光光源:最大頻差:20MHz(聲光調制提供)真空波長精度(壽命范圍內)±0.1ppm真空波長穩(wěn)定性(1小時):0.5ppb最高測速:5.1m/s數(shù)據(jù)處理電路板:在5.1m/s測速時測量分辨率可達0.31nm另有部分產品(如7705)利用塞曼效應產生雙頻,最大頻差3.65MHz。其主要參數(shù)為:雙頻激光:最大頻差:3.65MHz(塞曼效應)真空波長精度(壽命范圍內):±0.2ppm真空波長穩(wěn)定性(1小時)0.01ppm最高測速:500mm/s數(shù)據(jù)處理電路板:在500mm/s測速時測量分辨率可達1.24nmZYGO公司的產品也可實現(xiàn)多通道測量,一個系統(tǒng)最多可供4路分光復用。該公司的干涉鏡可裝附光纖耦合器,將各路測量光耦合入光纖,傳遞到數(shù)據(jù)處理電路各個通道分別接收轉換。我國對干涉儀產品早已重視。從七十年代,清華大學、計量院、機械部成都工具研究所等科研部門就已開始研制雙頻激光干涉儀樣機,至今已經(jīng)有二、三十年歷史。成都工具研究所有商品化儀器出售。3干涉儀測量工具雙頻激光干涉儀已成為精密測量中廣泛應用的儀器,國內外許多公司都有商品化儀器出售。但這也往往使人們產生了錯覺,以為激光干涉儀已經(jīng)完全滿足制造業(yè)的需求,不必再研究了。其實,近年來,隨著科學技術的發(fā)展,人們對測量工具也提出了更高的要求。為迎合新的測量要求,雙頻激光干涉儀也相應向高分辨率、高精度、高測速等幾個方向發(fā)展。3.1sjd5型雙頻激光干涉儀僅依靠光學系統(tǒng),普通干涉儀的只能達到半波長的分辨率,即0.1μm量級,目前的干涉儀產品通過電子細分的方法提高測量分辨率。國外Agilent、ZYGO等公司的產品可實現(xiàn)2048細分,最大分辨率達到0.15nm。清華大學精儀系殷純永教授的研究小組研制的SJD5型雙頻激光干涉儀可實現(xiàn)640細分,分辨率0.49nm。當然,通過增大電子細分數(shù)實現(xiàn)高分辨率,細分數(shù)越大,出現(xiàn)的相對誤差也就越大,而目前還沒有很好的儀器作為納米量級測量的基準?，F(xiàn)在的納米量級測量大多的是將原子力顯微鏡、X射線干涉儀等儀器與光學干涉儀結合使用,如英國國家物理實驗室將光學干涉儀和X射線干涉儀結合,形成新的測量儀器,其測量范圍是1mm,最小測量步長是0.192nm。3.2非線性誤差檢測在要求納米精度的條件下,出現(xiàn)大量科學與技術問題有待解決,諸如:非線性誤差(對半個波長分割的不均勻性)、空氣折射率影響、溫度壓力效應、環(huán)境振動影響等問題。非線性誤差對于納米溯源的影響十分嚴重,因為它發(fā)生在半個波長的位移內,即在非常短的量程內也照樣存在。雙頻干涉儀首先被發(fā)現(xiàn)有非線性誤差。很長時期以來,單頻干涉儀生產廠家號稱沒有非線性誤差,經(jīng)德國聯(lián)邦物理技術研究院(PTB)嚴格測試分析發(fā)現(xiàn)單頻干涉儀也有非線性誤差,而且在10nm量級或者更大。和商業(yè)雙頻干涉儀在同一數(shù)量級。他們的研究表明,可由“李薩如”圓的橢圓化程度判斷非線性誤差,從而用專門的電路加以校正。修正后可以達到2nm。BIPM納米工作組已將激光干涉儀、高精度位移傳感器等列入國際計劃,納米精密測量技術的溯源成為迫切需要解決的課題。3.3高識別干涉儀雙頻雙頻輸出制造業(yè)的發(fā)展迫切需要解決高速加工過程中運動目標的精密測量和定位,許多精密機床的運動速度已達幾m/s,而從精度等方面考慮,只有激光干涉技術更適合解決以上問題。對雙頻激光干涉儀,高測速就要求雙頻激光的頻差要大。利用塞曼效應產生雙頻最大只能達到4MHz頻差,最高測量速度僅為1m/s。一些高測速的干涉儀利用聲光效應得到雙頻,頻差可達20MHz,最高測速5.1m/s。最近我們成功地克服了塞曼雙頻激光器的頻差閉鎖現(xiàn)象,研究出國內外計量領域多年期盼的中頻差(3～40MHz頻差可控輸出)He-Ne激光器,并獲得專利。以這種激光器作為光源的雙頻激光干涉儀將實現(xiàn)4m/s的測量速度,其優(yōu)勢在于測量速度快,且穩(wěn)頻系統(tǒng)和信號處理電路相對簡單可以實現(xiàn),不增加太多造價。3.4偏振檢測系統(tǒng)的構建制造業(yè)中,機床測量常常需要同時測量工作臺x軸、y軸的位移以及回轉角度等參數(shù)。為降低成本,希望幾個通道測量共用一個激光頭。對雙頻激光干涉儀,如需n通道共用一個激光頭,只要在激光輸出光路上放置n-1個中性分束器(對偏振態(tài)不敏感),將光源分成n束光,控制分束器的透反比,使n束光功率盡量相等。再以每束光構建各自的偏振分光干涉儀,并相應放置n+1個光電接收器,分別接收n個通道的測量光和1束參考光。用n個獨立的信號處理系統(tǒng)和同一個計算機系統(tǒng),完成信號處理。這就形成了一個單光束n通道復用的干涉系統(tǒng)(如圖3)。實際應用中,受光功率等因素限制,n一般不超過3,但已可以解決實際應用中的大量三維測量問題。國外Agilent、ZYGO等公司的雙頻激光干涉儀產品均可進行多通道復用測量,部分產品最多可實現(xiàn)4通道復用。成都工具所的部分產品也已實現(xiàn)多通道復用。3.5空氣分辨率補償空氣折射率的影響是干涉儀應用中的主要誤差來源。目前國外許多產品是用溫度、氣壓、濕度傳感器測出相應參數(shù),用Edlen公司計算出折射率和波長值,再與干涉儀測量信號并行輸入信號處理系統(tǒng)實現(xiàn)空氣折射率補償。Renishaw公司使用這種折射率補償器控制激光器腔長達到較高的頻率穩(wěn)定性。另外還可以采用空氣折射率干涉儀直接測出空氣折射率,并得出波長值。這種干涉儀可解決空氣成分變化情況下的測量問