双频激光干涉仪技术现状与发展

作　　者：所睿 范志军 李岩 张书练
机构地区：清华大学,精密仪器与机械学系,精密测试技术与仪器国家重点实验室,北京,100084

1 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，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。
2 国内外产品现状
目前干涉仪产品大多为双频激光干涉仪。产生双频激光的方法主要是利用塞曼效应和声光调制。塞曼效应受频差闭锁现象影响，产生的双频频差一般较小，通常最大频差不超过4MHz。声光调制方法得到的频差通常较大，一些产品双频激光频差达到20MHz以上。声光调制方法的频率稳定性也非常好，可以利用锁相放大器处理信号；缺点是稳频、调制、合光等环节使得光学结构复杂，调整困难，成本也偏高。
目前国外生产激光干涉仪的公司有美国的Agilent(前身为HP)、ZYGO、英国的Renishaw等公司。其产品各具特点，售价也都很昂贵。
Agilent(HP)公司的双频激光干涉仪采用自制的塞曼双频激光器作光源 ，仪器的光学系统如图1所示。

其中5519B的主要参数如下：
激光源：最大频差：4MHz
真空波长精度(寿命范围内)：±0.1ppm
真空波长稳定性(1小时)：0.002ppm
最高测速：1000mm/s
数据处理电路单元：在1000mm／s测速时测量分辨率可达1.24nm，测量范围±21.2m
Agilent公司的双频激光干涉仪可以多通道同时测量。为适应多通道测量的要求，其部分产品不再采用以前产品将激光头、接收器、电源集成在一起的结构(如HP5528A)，而将各个功能模块分离，在每一通道光路上分别布置光电接收器。

Renishaw公司的ML10gold干涉仪实际上是单频偏振干涉的方案 。利用双纵模稳频、然后去掉一个纵模，在光学设计上保证准确的相位差，通过高精度测相和高速A/D转换技术，实现高速和高分辨率测量。其主要光学系统如图2所示。

主要参数如下：
激光光源：频率精度(长时间)：±0.05ppm
频率稳定性(1小时)：0.02ppm
最高测速：1000mm/s
数据处理电路板：在1000mm/s测速时测量分辨率可达1.24nm，测量范围80m
由于是单频激光器，Renishaw公司的产品不能多路分光使用，同时对多轴测量就需要多个激光头，增加成本。

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